IGBT在电力电子器件中的地位及应用

20世纪80年代以来, 微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力集成器件, 带来了电力电子技术的新时代, 实现了由传统的电力电子技术向现代电力电子技术的转变。

1 现代电力电子器件

现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件, 分为三大类[1]:双极型器件、单极型器件和混合型器件。

1.1 双极型器件, 是指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件

这类器件具有通态压降低、阻断电压高和电流容量大的特点。适合中大容量的变流装置。其中, 我们常见的交流装备有:门极关断 (GTO) 晶闸管、电力晶体管 (GTR) 、静电感应晶闸管 (SITH) 。

1.2 单极型器件, 是指器件内只有一种载流子 (多数载流子) 参与导电过程的半导体器件

具有代表性的产品有电力场控晶体管 (电力MOSFET) 和静电感应晶体管 (SIT) 。单极型器件开关的时间较短, 一般多在几十纳秒以下, 这是因为大部分的载流子导电, 无少子存储效应。

1.3 混合型器件, 是指双极型器件与单极型器件的集成混合

其主导器件为GTR、GTO晶闸管和SCR, 将MOSFET用来做控制器件混合集成之后产生的器件。这种器件不仅具有GTR、GTO晶闸管和SCR等双极型器件电流密度高、导通压降低的优点, 又具备MOSFET等单极型器件输入阻抗高、响应速度快的优点。因此, 人们开始高度重视这种新型混合器件。IGBT被人们公认为最有发展潜力的复合器件之一。

2 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)

2.1 IGBT的地位及作用

I G B T (I n s u l a t e d G a t e B i p o l a r Transistor) , 中文我们称之为“绝缘栅双极晶体管”, 是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它是电力电子技术的核心技术, 且是电机控制和功率变换器的首选器件。广泛用于轨道交通、航空航天等战略性行业, 具有高频率、高电压、大电流, 易于开关等优良性能, 被业界誉为功率变流装置的“CPU”。

它是电力电子领域非常理想的开关器件, 其频率特性介于MOSFET和功率晶体管之间, 可正常工作在几十Hz的频率范围内, 故在较高频率的大、中频率应用中占主要地位[2]。

2.2 IGBT的工作原理 (如图1)

IGBT和电力MOSFET有很大的渊源, 可以说IGBT是根据电力MOSFET的原理发展出来的, 在结构上面, 两者有很大的相似之处。但是, IGBT具有很强的电流控制能力。原因归结于两者间结果的不同之处, 即:IGBT多一个P层发射级。在IGBT导通时, 这个p层发射级可由P+注入区向N基区发射载流子 (空穴) , 以调制漂移区的电导率。

IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极是以正向栅极电压时, MOSFET内形成沟道并未PNP晶体管提供基极电流, 从而使IGBT导通。在门极施以负电压时, MOSFET内的沟道消失, PNP晶体管的基极电流被切断, IGBT关断。

3 IGBT的应用领域

IGBT作为电机控制和功率半导体器件首选器件, 在轨道交通、航空航天、船舶驱动、新能源电动汽车、风力发电、太阳能发电、高压变频、工业传动及电力传输等多个重要行业和领域广泛运用。目前, 在轨道交通高速动车组、大功率电力机车、城轨车辆几乎普遍采用IGBT;在节能环保领域, IGBT成为节能设备最核心的部件;在电力传输领域, IGBT在柔性输电等技术中发挥越来越大的作用。同时, 大功率IGBT也是谐波治理中最理想的开关器件。因此, IGBT具有良好的市场前景。在未来很长一段时间内, 为适应全球降低CO2排放的战略需要, IGBT将更加广泛地应用于可再生能源发电、智能配电与控制、分布式发电、电力牵引等领域, 成为节能技术和低碳经济的主要支撑。

4 IGBT的发展现状

IGBT是电力电子时代的新宠。它是一种很优秀的电力电子器件, 已逐渐替代了晶闸管, 成为电力电子技术平台性的器件。虽然国外的IGBT产业取得了很大进展, 但令人叹惋的是, 我们国家目前并未形成自己的IGBT产业, 目前我们使用的IGBT管子全部是进口购买的。我国只能进口国外IGBT芯片, 自己进行少量封装。因此对于我们这样一个拥有13亿人口的大国, 像IGBT这样的基础元件及其相关技术, 必须拥有自己的IGBT产业。随着国家对电力电子技术发展的重视, 相信很快就会用上自己生产出的IGBT。

5 IGBT的发展方向

IGBT的发展趋势有两个方向:超大功率模块和超快速IGBT。其中, 超大功率模块IGBT有望取代GTO, 并将其在电力系统、高压直流输电、机车牵引等方面扩宽应用领域。超快速IGBT则将在高频开关电源等方面扩大其应用领域。总之, 超大功率、超快速、模块化、智能化是IGBT发展的方向。

摘要：本文介绍了IGBT在电力电子技术领域的地位和作用, 分析了国内IGBT的发展现状, 预测了IGBT的发展方向。

关键词：功率半导体器件,混合型器件,IGBT

参考文献

[1] 黄家善, 电力电子技术[M].北京.机械工业出版社, 2005 (1) .

[2] 张燕宾, 变频调速应用实践[M].北京.机械工业出版社, 2002 (9) .