應(yīng)用及設(shè)計

作為電力電子重要大功率主流器件之一，IGBT已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用電器、交通運(yùn)輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用方面，如交通控制、功率變換、工業(yè)電機(jī)、不間斷電源、風(fēng)電與太陽能設(shè)備，以及用于自動控制的變頻器。在消費(fèi)電子方面，IGBT用于家用電器、相機(jī)和手機(jī)。

結(jié)構(gòu)

左邊所示為一個N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。

IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來為NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。

工作特性

靜態(tài)特性

IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。

IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

動態(tài)特性

動態(tài)特性又稱開關(guān)特性，IGBT的開關(guān)特性分為兩大部分：一是開關(guān)速度，主要指標(biāo)是開關(guān)過程中各部分時間；另一個是開關(guān)過程中的損耗。

IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示：：

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

通態(tài)電流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。

IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間，tri 為電流上升時間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和，漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。

IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關(guān)斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時間

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中：td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級達(dá)到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。2013年9月12日 我國自主研發(fā)的高壓大功率3300V/50A IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片及由此芯片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過專家鑒定，中國自此有了完全自主的IGBT“中國芯”。

產(chǎn)品市場

國內(nèi)市場需求急劇上升曾使得IGBT市場一度被看好。雖然長期來看，IGBT是一個值得期待的市場，可是到目前為止IGBT的核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)為大多數(shù)歐美IDM半導(dǎo)體廠商所掌控，中國在2014年6月成功研制出8寸IGBT專業(yè)芯片，打破國際壟斷[5]  。并且隨著各國政府都將削減可再生能源及交通等領(lǐng)域的支出，IGBT市場能否再度增長?

根據(jù)最新的調(diào)查報告顯示，各種IGBT器件和模塊的銷售額在2013年將有一定程度的復(fù)蘇，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇并穩(wěn)定后，從2015年開始將穩(wěn)定增長。雖然2013年IGBT市場增長趨勢有所下降，但隨著國內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步，其發(fā)展前景還是十分被看好的。

工作原理

方法

IGBT是將強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。

導(dǎo)通

IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。 當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€電子流(MOSFET 電流)； 一個空穴電流(雙極)。

關(guān)斷

當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。

阻斷與閂鎖

當(dāng)集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機(jī)制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。 第二點(diǎn)清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的壓降高的原因。

當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結(jié)受反向電壓控制，此時，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生PNPN晶閘管（如圖1所示）。在特殊條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：

當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)，只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。

檢測

判斷極性

首先將萬用表撥在R×1KΩ擋，用萬用表測量時，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調(diào)換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為柵極(G )其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調(diào)換表筆后測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極(C);黑表筆接的為發(fā)射極(E)。

判斷好壞

將萬用表撥在R×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT 的集電極(C)，紅表筆接IGBT 的發(fā)射極(E)，此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極(G)和集電極(C)，這時IGBT 被觸發(fā)導(dǎo)通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同時觸及一下柵極(G)和發(fā)射極(E)，這時IGBT 被阻斷，萬用表的指針回零。此時即可判斷IGBT 是好的。

檢測注意事項(xiàng)

任何指針式萬用表皆可用于檢測IGBT。注意判斷IGBT 好壞時，一定要將萬用　表撥在R×10KΩ擋，因R×1KΩ擋以下各檔萬用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測好壞時不能使IGBT 導(dǎo)通，而無法判斷IGBT 的好壞。此方法同樣也可以用于檢測功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)的好壞。

模塊簡介

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融合了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。

等效電路

模塊的選擇

IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降等使用。

使用注意事項(xiàng)

由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：

在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

此外，在柵極—發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。

在使用IGBT的場合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。

在安裝或更換IGBT模塊時，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。

保管注意事項(xiàng)

一般保存IGBT模塊的場所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5～35℃ ，常濕的規(guī)定在45～75%左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕; 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合； 在溫度發(fā)生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。

IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時的注意事項(xiàng)對實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。

保護(hù)

眾所周知，IGBT是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會使它損壞。為此，必須對IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。一般我們從過流、過壓、過熱三方面進(jìn)行IGBT保護(hù)電路設(shè)計。

IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒，耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護(hù)。那么該如何根據(jù)IGBT的驅(qū)動要求設(shè)計過流保護(hù)呢?

IGBT的過流保護(hù)可分為兩種情況：(1)驅(qū)動電路中無保護(hù)功能;(2)驅(qū)動電路中設(shè)有保護(hù)功能。對于第一種情況，我們可以在主電路中要設(shè)置過流檢測器件;針對第二種情況，由于不同型號的混合驅(qū)動模塊，其輸出能力、開關(guān)速度與du/dt的承受能力不同，使用時要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)選用。對于大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護(hù)則可以通過封鎖驅(qū)動信號或者減小柵壓來進(jìn)行保護(hù)。

過壓保護(hù)則可以從以下幾個方面進(jìn)行：

●盡可能減少電路中的雜散電感。

●采用吸收回路。吸收回路的作用是;當(dāng)IGBT關(guān)斷時，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過電壓。

●適當(dāng)增大柵極電阻Rg。

IGBT的過熱保護(hù)一般是采用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器)，并可進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。

對比

輸出特性與轉(zhuǎn)移特性：

IGBT的伏安特性是指以柵極電壓VGE為參變量時，集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關(guān)系曲線。IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性相似，也可分為飽和區(qū)I、放大區(qū)II和擊穿區(qū)III三部分。IGBT作為開關(guān)器件穩(wěn)態(tài)時主要工作在飽和導(dǎo)通區(qū)。IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指集電極輸出電流IC與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵極電壓VGE小于開啟電壓VGE(th)時，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，IC與VGE呈線性關(guān)系。

IGBT與MOSFET的對比：

MOSFET全稱功率場效應(yīng)晶體管。它的三個極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。

缺點(diǎn)：擊穿電壓低，工作電流小。

IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。

特點(diǎn)：擊穿電壓可達(dá)1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上，工作頻率可達(dá)20kHz。

新舊型對比

在傳統(tǒng)的使用和設(shè)計IGBT的過程中，基本上都是采用粗放式的設(shè)計模式，所需余量較大，系統(tǒng)龐大，但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統(tǒng)引起的各種失效問題。那么該如何突破傳統(tǒng)的IGBT系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計來解決上述問題呢?

傳統(tǒng)保護(hù)模式

防護(hù)方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設(shè)置一些保護(hù)元件，如下圖的電阻RGE的作用，是使柵極積累電荷泄放(其阻值可取5kΩ);兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1和V2，是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。另外，還有實(shí)現(xiàn)控制電路部分與被驅(qū)動的IGBT之間的隔離設(shè)計，以及設(shè)計適合柵極的驅(qū)動脈沖電路等。然而即使這樣，在實(shí)際使用的工業(yè)環(huán)境中，以上方案仍然具有比較高的產(chǎn)品失效率——有時甚至?xí)?%。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究表明：這和瞬態(tài)浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關(guān)系，而穩(wěn)壓管在此的響應(yīng)時間和耐電流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，從而導(dǎo)致IGBT過熱而損壞。 

新型保護(hù)模式

將傳統(tǒng)的穩(wěn)壓管改為新型的瞬態(tài)抑制二極管(TVS)。一般柵極驅(qū)動電壓約為15V，可以選型SMBJ15CA。該產(chǎn)品可以通過IEC61000-4-5浪涌測試10/700US6kV。

TVS反應(yīng)速度極快(達(dá)PS級)，通流能力遠(yuǎn)超穩(wěn)壓二極管(可達(dá)上千安培)，同時，TVS對靜電具有非常好的抑制效果。該產(chǎn)品可以通過IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測試。

將傳統(tǒng)電阻RG變更為正溫度系數(shù)(PPTC)保險絲。它既具有電阻的效果，又對溫度比較敏感。當(dāng)內(nèi)部電流增加時，其阻抗也在增加，從而對過流具有非常好的抑制效果。

變頻器 IGBT 開路故障診斷

逆變器與電動機(jī)構(gòu)成的調(diào)速傳動系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用化階段已經(jīng)有近 20 年的歷史。調(diào)速系統(tǒng)中的核心“變頻器”是一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)，易受到電磁環(huán)境的影響而發(fā)生損壞。工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，生產(chǎn)工藝的連續(xù)性不允許系統(tǒng)停機(jī)，否則將意味著巨大的經(jīng)濟(jì)損失。特別是在一些特殊的應(yīng)用場合，如自動化和宇宙空間系統(tǒng)、核能和危險的化學(xué)工廠中，更不允許逆變器因故障停機(jī)。由于系統(tǒng)可自動維護(hù)性、生存能力等指標(biāo)的要求明顯提高，近年來對具有容錯能力的控制系統(tǒng)的研究得到了更多的關(guān)注。高故障容限控制系統(tǒng)應(yīng)迅速地進(jìn)行故障分析， 故障后主動重構(gòu)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)， 實(shí)行冗余、容錯等控制策略，確保整個系統(tǒng)在不損失性能指標(biāo)或部分性能指標(biāo)降低的情況下安全運(yùn)行，規(guī)避異常停機(jī)所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，滿足某些特殊行業(yè)的需求。實(shí)現(xiàn)高故障容限控制系統(tǒng)的前提條件是準(zhǔn)確的故障診斷，只有準(zhǔn)確定位故障，才能據(jù)此進(jìn)行容錯控制，應(yīng)對逆變器中 IGBT 的開路故障診斷展開研究。

嚴(yán)格地說，在變頻器?電機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)中任何一個功能單元、任何一個元器件發(fā)生故障都是可能的，但變頻器部分發(fā)生故障的幾率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電機(jī)。而在變頻器中，逆變橋 IGBT 的開路和短路故障又占了相當(dāng)大的比重。所以針對上述故障的診方法是高故障容限變頻器研究的熱點(diǎn)問題。IGBT的短路故障已有成熟的方案，即通過硬件電路檢測IGBT 的 D-S 壓降，可以準(zhǔn)確判別故障管。 IGBT 開路故障也時有發(fā)生，一方面是由于過流燒毀，導(dǎo)致開路，另一方面是由于接線不良、驅(qū)動斷線等原因?qū)е碌尿?qū)動信號開路。相對于短路故障而言，開路故障發(fā)生后往往電機(jī)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，所以不易被發(fā)現(xiàn)，但其危害較大，因?yàn)樵诖饲闆r下其余 IGBT將流過更大的電流，易發(fā)生過流故障；且電機(jī)電流中存在直流電流分量，會引起轉(zhuǎn)矩減小、發(fā)熱、絕緣損壞等問題，如不及時處理開路故障，會引發(fā)更大的事故。檢測出某 IGBT 開路后，才可以采用橋臂冗余、四開關(guān)等方式繼續(xù)安全容錯運(yùn)行。歸納國內(nèi)外學(xué)者在 IGBT 開路故障診斷方法上所展開的研究，主要有專家系統(tǒng)法、電流檢測法和電壓檢測法三種。專家系統(tǒng)法基于經(jīng)驗(yàn)積累，將可能發(fā)生的故障一一列出，歸納出規(guī)律并建立知識庫，當(dāng)發(fā)生故障的時候只需要觀測故障現(xiàn)象，查詢知識庫即可判斷故障類型，難點(diǎn)在于難以窮盡所有的故障現(xiàn)象并得到完備的故障知識庫，而有些故障模態(tài)往往與變頻器正常運(yùn)行時的某種狀態(tài)時非常相似，造成了難以準(zhǔn)確匹配故障。電壓檢測法通過考察變頻器故障時電機(jī)相電壓、電機(jī)線電壓或電機(jī)中性點(diǎn)電壓與正常時的偏差來診斷故障。只需要四分之一基波周期便能檢測出故障，大大縮短了診斷時間， 只是這種方法需要增加電壓傳感器， 通用性差。

電流檢測法最為常用，其又派生出平均電流 Park矢量法、單電流傳感器法和電流斜率法等，平均電流 Park 矢量法以 Coimbra 大學(xué)的 J.A.ACaseiro 教授發(fā)表的幾篇文章為代表。該方法在α ? β 坐標(biāo)系下進(jìn)行，通過 3-2 變換得到 I α 和 I β ，在一個電流周期內(nèi)求其平均值，根據(jù)平均值求得平均電流 Park 矢量。 故障出現(xiàn)時 Park 矢量將不為零，通過判斷其幅值和相位確定哪只 IGBT 出現(xiàn)故障。平均電流 Park 矢量法的缺點(diǎn)在于其對負(fù)載敏感， 負(fù)載不同情況下， Park 矢量電流大小不同，會造成評價故障的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。電流矢量斜率法根據(jù)故障前后定子電流矢量軌跡斜率的不同來診斷故障，缺點(diǎn)在于該方法極易受到干擾而導(dǎo)致誤判[4]  。

針對變頻器逆變橋 IGBT 開路的故障診斷，對平均電流 Park 矢量法、三相平均電流法以及提出的基于傅里葉變換的歸一化方法做了對比驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）平均電流 Park 矢量法和三相平均電流法在穩(wěn)態(tài)情況下可以準(zhǔn)確地檢測 IGBT 開路故障，定位故障管，但在突加、突減負(fù)載時會出現(xiàn)誤診斷。

2）利用離散傅里葉變換得到定子電流的直流分量和基波幅值，然后根據(jù)基波幅值大小將直流分量歸一化，依據(jù)歸一化后的直流分量大小定位開路故障的 IGBT，可解決傳統(tǒng)方法在突加、突減負(fù)載時會出現(xiàn)誤診斷的問題。

3）變頻器 IGBT 開路故障診斷提供了有效方法，其可做為容錯控制的基礎(chǔ)，后續(xù)工作可以圍繞故障后的容錯控制展開。