常用电力半导体器件在变频器中的应用

在逆变器中的开关器件，既要负责导通和截止电路，又要承受电力功率的传递，因此它属于功率器件，即电力电子器件，也称为电力半导体器件。

电力半导体器件大致分为不可控的两端器件（如整流二极管）和可控的三端器件（如晶闸管）等。在逆变器中使用的是可控的三端器件。

三端电力半导体器件有普通晶闸管（VT）、门极关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOOFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等几类。普通晶闸管没有自关断能力，需要换流电路，而且开关速度低；门极关断晶闸管具备自关断能力，但开关速度同样很低，因此都不适合作为脉宽调制逆变器的开关器件。这里主要介绍的是电力晶体管、功率场效应晶体管以及绝缘栅双极晶体管。

（1）电力晶体管GTR 电力晶体管的代号GTR是英文Giant Transistor的缩写，直译的意思是巨型晶体管，它也叫作大功率晶体管。在半导体术语里，把电子和空穴两种载流子中只有一种参与导电的器件称为单极型器件，两种都参与导电的器件称为双极型器件，而部分区域是单极型，部分区域是双极型的器件就称为混合型器件。GTR是双极型器件，因此，它另外有一个名称叫作双极晶体管，英文缩写是BJT。

图6-7a所示是GTR的结构，它是一种放大器件。它的结构特征与普通NPN型晶体管近似，具有三种基本的工作状态：放大状态、饱和状态和截止状态。基极需要持续通入电流才能维持导通，截断基极电流就能够关断它。在逆变电路中，GTR用作开关器件。由于两种载流子同时参与导电，它的最大耐压可达1400V，导通电流可达800A。双极型器件通常由电流驱动，因此驱动功率比较大。由于电荷的过剩存储作用，因此开关速度不高。GTR的开关时间大约为数十到数百个微秒，极限开关频率在10kHz上下，平均开关频率则要低得多，因此它并不是一种太理想的开关器件。由于载波频率比较低，所以目前在脉宽调制逆变器中已经基本被淘汰了。

选择GTR的方法是：

1）开路阻断电压U_CEO的选择。U_CEO通常按电源线电压峰值的2倍来选择，即

2）集电极最大持续电流I_CM的选择。I_CM通常按输出交流线电流峰值的2.25倍来选择，即

（2）半导体场效应晶体管（MOSFET） 功率场效应晶体管的英文直译是金属氧化物半导体场效应晶体管，缩写为MOSFET。它是一种单极型器件，其结构如图6-7b所示。MOSFET也是NPN结构，但它的控制极不从P区直接引出，而是通过一个绝缘的栅极引出，当栅极加上正向电压时，由于电容效应，会在P区靠近栅极的表面形成耗尽层，积累多余负电荷而形成N型区域，这个区域称为N沟道。在两个N区之间通过N沟道有电流流过，电流从P区经过时产生类似基极电流的作用而使器件导通。要使器件关断，需要在栅极施加反向电压。

MOSFET的栅极利用结电容工作，属于电压驱动方式，驱动功率小并且没有电荷存储效应，因此开关速度很高。MOSFET的开关时间大约为几个到几十个微秒，极限开关频率可以达到数百千赫兹，平均开关频率可达到数十千赫兹，是一种理想的开关器件。另一方面，作为单极型器件，只有多数载流子参与导电，正向压降大，因此导通损耗比较大，使导通电流受到限制。MOSFET的最大耐压大约为1000V，导通电流为100～200A，输出功率比较小。使用MOSFET的脉宽调制变频器只能做成小功率。

（3）绝缘栅双极晶体管（IGBT） 绝缘栅双极晶体管的代号IGBT是英文Isoloted Gate Bipolar Transistor的缩写，它是MOSFET和IGBT相结合的产物，其主体部分与IG-BT相同，直译为绝缘门极双极晶体管，它是一种混合型器件。

IGBT的结构如图6-7c所示，它的源极和漏极都连接在P型区，基本结构是一个PNP型的电力晶体管，因此，它具有电力晶体管电流大、正向压降小、导通损耗小的特征。目前IGBT已经能够达到甚至超过GTR的耐压和电流容量。

在源极和栅极间，扩散有N型区，它与源极P型区和中间的N型区共同构成了一个PNP型的场效应晶体管结构，当场效应管导通时，其导通电流通过中间N型区，为PNP电力晶体管提供了基极电流而使整个器件导通。

IGBT的等效原理如图6-7d所示，场效应管构成前级放大，它起到为电力晶体管提供放大基极电流和加速导通关断的作用，因此，器件的整体驱动功率和开关速度接近于MOSFET的水平，使IGBT的平均开关频率能够达到20kHz左右。

IGBT融合了GTR和MOSFET的优点，容量和开关频率都适合作为通用变频器的开关器件。正是IGBT器件的良好性能促成了通用变频器的大力发展，目前的通用变频器被称为中、小容量通用变频器，均是以IGBT作为开关器件的。

电力电子技术还在继续发展，耐压更高、电流更大、开关频率更快的器件还会不断地被研制出来，为变频器研制提供更好的器件选择。另外，随着应用规模的扩大和制造技术的提高，器件的生产成本会继续降低，从而为变频器提供更好的器件性价比，更有利于变频调速的推广应用。

图6-7 几种电力半导体结构示意图

a）GTR b）MOSFET c）IGBT d）IGBT等效原理

（4）智能电力模块器件和用户专用智能电力模块器件

1）智能电力模块。智能电力模块（Intelligent Power Module，IPM）不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内嵌有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，IPM也可以自保不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，并内嵌有电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM因其高可靠性和使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电动机的变频器和各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服进给、变频家电等广泛使用的、一种非常理想的电力电子器件。图6-8给出了IPM的等效电路。

图6-8 IPM的等效电路

IPM具有以下优点：

①开关速度快。IPM内的IGBT芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠IGBT芯片，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。

②低功耗。IPM内部的IGBT导通压降低，开关速度快，故IPM功耗小。

③快速的过流保护。IPM实时检测IGBT电流，当发生严重过载或直接短路时，IGBT将被软关断，同时送出一个故障信号。(www.xing528.com)

④过热保护。在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，IPM内部控制电路将截止栅极驱动，不响应输入控制信号。

⑤桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上、下两个桥臂的驱动信号互锁，能有效防止上、下臂同时导通。

⑥抗干扰能力强。优化的门极驱动与IGBT集成，布局合理，无外部驱动线。

⑦驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源（一般为15V）时就会造成驱动能力不够，使导通损坏，IPM自动检测驱动电源，当低于一定值超过10μs时，将截止驱动信号。

⑧IPM内嵌相关的外围电路。这样可以缩短开发时间，加快产品上市。

⑨无须采取防静电措施。

⑩大大减少了元件数目，体积相应小。

IPM功放部分采用带电流检测的IGBT模块，可以检测电流异常，以进行保护，不需要另加检测器CT，降低了成本。IPM的每一个IGBT单元都设置有独立的驱动电路和多种保护，能够实现过流、过压、欠压及过热保护功能。只要保护电路正常工作，即使有控制信号输入，IPM的驱动模块也被关断，并向CPU反馈故障信号，且必须重新复位方可再工作。

正是由于上述优点，IPM深受用户欢迎，目前市场上出现的IPM模块有四种封装形式：单管封装、双管封装、六管封装和七管封装。图6-9是将六个开关器件封装在一起的IPM外观图。许多厂家都正在为提高IPM的额定电流值而努力，因此，有理由相信，随着电力半导体技术的迅猛发展，大容量的IPM必将不断出现并得到更广泛应用。

图6-9 IPM与ASIPM外观图

2）用户专用智能电力模块器件。（Application Specific Intelligent Power Module，ASIPM）是一种全新的智能电力模块，它的应用能够简化小型变频器的设计，在减小体积、降低成本的同时可大大提高变频器的性能。ASIPM的外观图如图6-9所示，它集成了整流电路、制动电路、逆变电路、电流传感器、驱动和保护电路，其功能框图如图6-10所示。

①上臂IGBT：驱动电路，高低压电平转换电路，实现单一电源供电的自举电路以及欠压保护电路。

②下臂IGBT：驱动电路，过电流、短路保护IGBT关断电路，控制电源欠压保护。

③故障信号输出：下臂IGBT短路保护时或下臂控制电源欠压保护时。

④电流检测：逆变器直流母线电流模拟量检测功能（检测下臂IGBT母线电流）。

⑤基板温度检测：内置检测基板温度的热敏电阻。

⑥输入接口电路：5V系列CMOS/TTL电路，施密特触发接收电路，防止上、下臂同时输入导通信号的内部互锁电路。

ASIPM由于各种电路已经处于同一封装之内，与分别组装时相比有体积小、可以节约装配时间等优点，因此可以降低变频器的成本。但是，ASIPM的缺点是散热效率差，所以只能用于小电流的变频器。

（5）碳化硅（SiC）半导体电力器件 在用新型半导体材料制成的电力器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）电力器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。SiC与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度；高的饱和电子漂移速度；高的击穿强度；低的介电常数；以及高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了SiC在高温、高频率、高功率的应用场合下是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流水平下，SiC器件的漂移区电阻仅为硅器件的1/200，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10ns量级，具有十分优越的FBSOA。

图6-10 ASIPM功能框图

C_BU±、C_BV±、C_BW±—上臂驱动电源端子 U_P、V_P、V_P、U_N、V_N、W_N—控制信号输入端子 V_D—驱动电源端子 F_O—故障输出端子GND—接地端子 V_amp—下臂IGBT母线电流检测端子 T_H—温度检测端子 R、S、T—整流桥电源端子 U、V、W—逆变器输出端子 P₁—整流输出端子 P₂—逆变器电源端子 N₁—整流桥接地端子 N₂—逆变器接地端子

SiC可以用来制造射频和微波电力器件，各种高频整流器、MESFETs、MOSFETs和JFETs等。SiC高频电力器件已在Motorola开发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC电力器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制大功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频电力器件，用于工业和电力系统。

理论分析表明，SiC电力器件非常接近于理想的电力器件。可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为电力器件研究领域的主要潮流之一。可是，SiC材料和电力器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计还需要几年的时间。

（6）复合模块 复合模块是一种将变频器主电路的整流电路、制动电路以及逆变电路封装在一起的器件。由于各种电路已经封装在一起，与分别组装时相比有体积小、可以节约装配时间等优点，因此可以降低变频器的成本。但是，复合模块的缺点是放热效率差。所以只能用于小电流的变频器。目前复合模块中的半导体开关器件基本上为IGBT。图6-11给出了复合模块的等效电路。

图6-11 复合模块的等效电路