绝缘栅双极型晶体管的特点及应用

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种发展很快、应用很广的复合型电力电子器件。随着IGBT性能的迅速发展，IGBT模块的电压等级和电流容量在不断提高。1991年生产出的1200V/300A小型IGBT模块很快取代了在工业通用变频器中使用的双极型晶体管；1993年出现了1700V/300A的IGBT，在城市电车上获得了推广应用；2000年后出现了1700V/2400A、3300V/1200A和6500V/600A的高压IGBT，随后在高压大功率场合中迅速得以应用。目前，系列化的产品电流容量为10～3300A、电压等级为600～6500V，试制品已达8000V，工作频率在10～30kHz之间。它有如下优点：

1）开关损耗小，允许使用较高的开关频率；

2）吸收电路小型化，甚至无需吸收电路，从而简化了主电路；

3）绝缘式模块结构便于设计与组装，简化了装置结构；

4）开关转换均匀，提高了稳定性和可靠性；

5）并联简单，便于标定变流器功率等级；

6）作为电压驱动型器件，只需简单地控制电路即可实现良好的保护功能。

1.IGBT的基本特性

（1）伏安特性

图8-9分别是IGBT的电路符号、简化等效电路和外形图。IGBT的3个电极有的书本称为D、G、S（类似于MOSFET），大部分场合还是称为C、G、E，分别是集电极、栅极和发射极。N-IGBT的伏安特性如图8-10a所示。由图可知，IGBT的伏安特性分为：截止区Ⅰ、放大区Ⅱ、饱和区Ⅲ。截止区即正向阻断区，是由于栅极电压没有达到IGBT的开启电压U_GE（th）（见图8-10b）。放大区Ⅱ中IGBT的输出电流受栅极电压的控制，U_GE越高、I_C越大，两者有线性关系。在饱和区因U_CE太小，U_GE失去线性控制作用。在一定的栅极电压U_GE下，随着I_C加大，通态电压U_CE加大；但加大栅极电压U_GE，在一定的I_C下可减小U_CE，即可以减少IGBT的通态损耗。目前模块化封装的IGBT基本都装有反并联功率二极管，成为逆导型器件。

图8-9 IGBT的电路符号、简化等效电路及常见模块的外形图

（2）转移特性

在图8-10a第一象限内横轴上作一条垂直线与各条伏安特性相交，可获得转移特性，即是集电极电流I_C与栅极电压U_GE之间的关系曲线。当U_GE小于开通电压U_GE（th）时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，I_C与U_GE呈线性关系。最高栅极电压受最大集电极电流的限制，其最佳值一般取15V左右。在IGBT关断时，为了保证可靠关断，实际应用中在栅极加一定的负偏压，通常为-5～-15V。

图8-10 IGBT的伏安特性和转移特性

a）伏安特性 b）转移特性

（3）动态特性

图8-11a给出了IGBT开通与关断的动态特性测试电路，图8-11b给出了测试波形图。可以看出，器件的开通与关断过程都需要一定的过渡时间。IGBT的开通时间由开通延迟时间t_don和电流上升时间t_r组成，通常约为0.2～0.5μs。关断时间包括关断延迟时间t_doff和电流下降时间t_f，典型值为1μs。其中电流下降时间包括IGBT内部MOSFET的关断时间（较快）和内部PNP晶体管的关断过程（较慢）。由于此时集射电压已经建立，因此较长的电流下降时间会产生较大的关断损耗（E_off）。IGBT中双极型PNP晶体管的存在，一方面带来了电导调制效应的好处，但同时也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于功率MOSFET。

图8-11 IGBT开通和关断过程电压电流波形

（4）电容特性

图8-12a给出了IGBT器件三个极之间的等效电容示意图：门极-发射极间的输入电容C_ies，集电极^-发射极间的输出电容C_oes，集电极-门极间的反向传输电容C_res。图8-12b给出了三个电容与集电极-发射极间电压V_CE的关系，在设计IGBT驱动电路时需要考虑到器件的电容特性。

图8-12 IGBT结电容示意图及其与VCE关系图(www.xing528.com)

除了前面提到的各种参数之外，IGBT的主要参数还包括以下几个：

1）最大集电极-发射极电压（U_CES）该电压由内部的PNP型晶体管的击穿电压确定，为了避免PN结击穿，IGBT两端的电压不能超过这个额定电压值。

2）最高栅极-发射极电压（U_GES）栅极电压受栅极氧化层的厚度和特性限制。虽然栅极的绝缘击穿电压约为80V，但是，为了保证可靠工作并且限制故障状态下的电流，栅极电压应该限制在20V以内。

3）最大集电极电流（I_Cmax）包括直流电流I_C和1ms脉宽最大电流I_CP，该电流值与结温有关，随结温的升高而下降。不同厂家标称I_Cmax的结温可能有差异，选择器件时应注意这一点。

4）最大集电极功耗（P_CM）P_CM为IGBT正常工作温度下所允许的最大功耗。

表8-2给出了200A、耐压分别为1200V和3300V的典型IGBT参数。

表8-2 1200V与3300V IGBT参数

在应用IGBT的时候应注意IGBT有较大的极间电容，使IGBT的输入端显示出较强的容性特点，在输入脉冲作用下，将出现充放电现象。在器件开关过程中，极间电容是引发高频振荡的重要原因。由于IGBT对栅极电荷的积聚很敏感，因此要有一条低阻抗的放电回路（可以考虑在G、E间并联10kΩ的电阻）；驱动电路与IGBT的连线要尽量短。此外，设计适当的吸收电路，以抑制IGBT关断时产生的尖峰浪涌电压也很重要。

总之，在使用IGBT模块时，应特别注意以下三个方面：

1）IGBT为电压驱动型器件，C、G、E三极之间都有输入电容，开关过程中存在充放电电流。

2）IGBT是高速开关器件，开关时会有较大的di/dt，会产生浪涌电压。

3）栅极是绝缘构造，要考虑静电对策。当栅极悬空时，不能在C、E极间加电压；并且G、E极间不能施加超过±20V的电压。

2.智能功率器件

智能功率器件（Intelligent Power Module，IPM）是一种在IGBT基础上集成了栅极驱动电路、故障检测电路和故障保护电路的电力电子模块。与普通IGBT相比，IPM在系统性能和可靠性上均有进一步提高，而且由于IPM的通态损耗和开关损耗都比较低，散热器的尺寸减小，故整个系统的尺寸更小。不过目前其电压、电流等级不如IGBT模块高，价格也较后者高出许多。

IPM的内部结构如图8-13所示，C为参考地，V1为供电电源，I为驱动信号输入端，FO为故障信号输出端。

IPM内部常见的保护有：

1）欠电压锁定UV IPM内部控制电路由外接直流电源供电。当电源电压下降到指定的阈值电压以下，IPM就会关断，同时产生一个故障输出信号。为了恢复到正常运行状态，电源电压必须超过欠电压复位阈值，在电源电压超过欠电压复位阈值后，故障信号也消失。在控制电源上电和掉电期间，欠电压保护电路都会发挥作用。

图8-13 IPM结构框图

SC—短路保护 OC—过载保护 UV—欠电压保护 OT—过热保护 Drive—IGBT驱动电路

2）过热保护OT 在靠近IGBT的绝缘基板上安装有温度传感器，如果基板的温度超过设定阈值，IPM内部的保护电路关断门极驱动信号，不响应控制输入信号。当温度下降到另一设定阈值以下时，IGBT方可恢复工作。

3）过电流保护OC 由内置的电流传感器检测集电极电流，若通过IGBT的电流超过一定阈值，且持续时间大于一定的延迟时间，IGBT就会被软关断。假如延迟时间的典型值为10μs，小于10μs的过电流不会引发过电流保护。当过电流保护起作用时，IPM输出故障信号。

4）短路保护SC 如果负载发生短路或PWM信号存在出错，使IGBT的上、下桥臂同时导通，短路保护电路便将其关断，同时输出一个固定宽度的故障信号。对于宽度小于一定时间的短路电流（例如2μs以下），则不会引发短路保护。