IGBT是未来功率器件主流发展重点方向

发表于 2015-10-31 21:25

　　IGBT是功率器件技术演变的最新产品，是未来功率器件的主流发展方向。IGBT器件是一种MOSFET与双极晶体管复合器件。既有功率MOSFET易于驱动、控制简单、开关频率高的优点。又有功率晶体管的导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。基于技术和功能上的优势，IGBT产品可以实现对以往功率器件产品的逐步替代。IGBT产品集合了高频、高压、大电流三大技术优势。IGBT能够实现节能减排，具有很好的环境保护效益。IGBT被公认为是电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是未来应用发展的必然方向。IGBT可广泛应用于电力领域、消费电子、汽车电子、新能源等传统和新兴领域，市场前景广阔。

　　变频家电市场的爆发性增长推动IGBT的快速成长。低功率IGBT主要应用于变频家电，目前中国变频家电渗透率低，具有较大市场潜力。除了变频家电，无火烹饪时尚电磁炉也有IGBT的用武之地。电磁炉正逐渐演变为主要炊具，IGBT由于其高频、低损耗的特性成为电磁炉内的关键器件。目前中国电磁炉年产量为4000万台，未来将以20%~30%速度增长，直接带动IGBT单管的发展。

　　电机用电是国家用电主体，变频器节能地位的凸显，是IGBT产业成长的另一大助力。变频器是目前最理想的电机节能设备，有着极为广阔的应用空间。通过应用变频调速技术，变频器能过调节电机转速，使电动机在最节能的转速下运行，大大降低运行时的电能消耗。IGBT是变频器的关键零部件。IGBT是3kV及以上高压变频器的重要零部件，单台高压变频器中IGBT占成本4%~15%。3kV以下中低压变频器方面，根据深圳英威腾资料显示，IGBT占总成本26%左右。目前中国电机配备变频器不足10%，尚处于粗放式用电的阶段，市场潜力巨大。变频器还广泛应用于造纸、机床、冶金等领域，对IGBT部件的需求广泛。

　　高速列车市场对IGBT有巨大的需求潜力。未来三年中国高速铁路需完成1万公里的里程建设，铁路建设进度加快。截至2009年底中国高速铁路运营总里程为2830公里，而根据规划2012年需达到1.3万公里。地铁、城铁规划风生水起。至少25个城市计划建设或扩展地铁，总计达数千公里，对车厢需求在1000个以上。长三角等区域拟定总计逾3000公里的城际铁路规划，加大了对动车组列车的需求。大功率IGBT模块是电力机车和高速动车组的必需组件。电力机车一般需要500个IGBT模块，动车组需要超过100个IGBT模块，一节地铁需要50-80个IGBT模块。高速列车市场的繁荣必然带动对IGBT模块的巨大需求。根据预测高铁领域每年对IGBT的市场需求达3亿元。

　　新能源产业的兴起成为未来IGBT市场的突破点。太阳能和风能发电都需用到逆变器，IGBT是解决逆变器的通用方式。太阳能需要将直流电变为交流电，再并网使用;风力发电需要将产生的非固定频率交流电进行“交—直—交”转换，再并网使用。太阳能、风能在发电过程中需要逆变器才能实现电流的转换。IGBT是逆变器的重要部件，决定逆变器的性能。混合动力汽车和电动汽车的出现为IGBT创造了一个新的市场。在HEV和EV领域，IGBT应用于逆变器中，逆变器负责蓄电池的直-交转换，从而驱动电机运转。

　　智能电网从规划到大规模的实施，也将成为IGBT新的市场增长点。在智能电网领域，中国拥有全球领先超高压直流输变电技术与特高压交流输电技术。2009年国家电网向家坝至上海±800千伏特高压直流输电线路全线贯通,该工程多项创新直流输电技术处于世界领先水平。IGBT是超高压直流输变电技术、特高压交流输电技术的核心元器件,为技术提供保障。智能电网的大规模实施将实现中国IGBT和智能电网的“双赢”。智能电网对IGBT需求量每年可达4亿元，IGBT将直接受益于其巨大的市场需求。同时，IGBT国产化有利于维护中国在智能电网领域的全球领先地位。

发表于 2015-11-1 10:30

学习了

发表于 2015-11-5 09:29

学习，:P

发表于 2015-11-21 20:03

IGBT易于驱动、控制简单、开关频率高

发表于 2015-11-21 20:06

而且导通电压低、通态电流大、损耗小

发表于 2015-11-21 20:11

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件

发表于 2015-11-21 20:15

　IGBT（绝缘栅双极型晶体管），是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

　　IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

发表于 2015-11-21 20:17

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

发表于 2015-11-21 20:18

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除IGBT自身外，IGBT 驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致 IGBT 和驱动器损坏。以下总结了一些关于IGBT驱动器输出性能的计算方法以供选型时参考。
IGBT 的开关特性主要取决于IGBT的门极电荷及内部和外部的电阻。图1是IGBT 门极电容分布示意图，其中CGE 是栅极-发射极电容、CCE 是集电极-发射极电容、CGC 是栅极-集电极电容或称米勒电容（Miller Capacitor）。门极输入电容Cies 由CGE 和CGC 来表示，它是计算IGBT 驱动器电路所需输出功率的关键参数。该电容几乎不受温度影响，但与IGBT集电极-发射极电压VCE 的电压有密切联系。在IGBT数据手册中给出的电容Cies 的值，在实际电路应用中不是一个特别有用的参数，因为它是通过电桥测得的，在测量电路中，加在集电极上C 的电压一般只有25V(有些厂家为10V)，在这种测量条件下，所测得的结电容要比VCE=600V 时要大一些(如图2)。由于门极的测量电压太低(VGE=0V )而不是门极的门槛电压，在实际开关中存在的米勒效应（Miller 效应）在测量中也没有被包括在内，在实际使用中的门极电容Cin值要比IGBT 数据手册中给出的电容Cies 值大很多。因此，在IGBT数据手册中给出的电容Cies值在实际应用中仅仅只能作为一个参考值使用。

发表于 2015-11-21 20:18

对于大功率IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv/dt电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系见表1。栅极正电压的变化对IGBT的开通特性、负载短路能力和dVcE/dt电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由dVcE/dt 电流引起的误触发等问题(见表1)。
表1 IGBT门极驱动条件与器件特性的关系

驱动电路图
由于IGBT的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化，因而驱动电路性能的好坏将直接影响IGBT能否正常工作。为使IGBT能可靠工作。IGBT对其驱动电路提出了以下要求。

发表于 2015-11-21 20:18

基于TH102芯片的电源电路.pdf (175.02 KB, 下载次数: 2)

彩电自激式开关电源电路构成及检修.pdf (831.01 KB, 下载次数: 4)

发表于 2015-11-21 20:20

1)向IGBT提供适当的正向栅压。并且在IGBT导通后。栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，VGE越高，VDS傩就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允许超过20 V，原因是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15 V为宜。
2)能向IGBT提供足够的反向栅压。在IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使调压电路处于短路直通状态。因此，最好给处于截止状态的IGBT加一反向栅压(幅值一般为5～15 V)，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。
3)具有栅极电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为+20 V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。
4)由于IGBT多用于高压场合。要求有足够的输入、输出电隔离能力。所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。
5)IGBT的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用。应具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。

发表于 2015-11-21 20:21

　IGBT的工作原理和作用通俗易懂版：

　　IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。

　　IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。

　　IGBT有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。如果撤掉加在GS两端的电压，这层导电的沟道就消失了，就不可以导电了，变成了绝缘体。

发表于 2015-11-21 20:22

　IGBT的工作原理和作用电路分析版：

　　IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

　　图1 IGBT的等效电路

发表于 2015-11-21 20:23

IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：

　　--IGBT栅极与发射极之间的电压；

　　--IGBT集电极与发射极之间的电压；

　　--流过IGBT集电极-发射极的电流；

　　--IGBT的结温。

　　如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

发表于 2015-11-21 20:23

IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。

发表于 2015-11-23 22:42

songchenping 发表于 2015-11-1 10:30
学习了

IGBT的功能特点决定的。

发表于 2015-11-23 22:42

gygp 发表于 2015-11-21 20:03
IGBT易于驱动、控制简单、开关频率高

IGBT确实有这些优点，而且功耗损耗小。

发表于 2015-11-23 22:43

chenci2013 发表于 2015-11-21 20:11
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应 ...

谢谢给出的定义。

发表于 2015-11-23 22:43

gygp 发表于 2015-11-21 20:15
　IGBT（绝缘栅双极型晶体管），是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱 ...

IGBT集成了BJT和MOS的优点。

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