絕緣柵雙極晶體管（IGBT）原理介紹及在UPS方面應(yīng)用

趙懿

摘要： IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），也稱為絕緣柵雙極晶體管，是一種復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，本文主要介紹了IGBT的結(jié)構(gòu)特性、工作原理，最后對IGBT在UPS方面的實際應(yīng)用進行了分析介紹。

關(guān)鍵詞：“IGBT；絕緣柵雙極晶體管”；“MOSFET；金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管”；“GTR；電力晶體管”

1 前言

近年來，新型功率開關(guān)器件IGBT已逐漸被人們所認識，IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 與以前的各種電力電子器件相比，IGBT具有以下特點：高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動線路；高速開關(guān)特性，導(dǎo)通狀態(tài)低損耗。IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低，是一種適合于中、大功率應(yīng)用的電力電子器件，IGBT在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

本文主要通過對IGBT的結(jié)構(gòu)特性和工作原理的學(xué)習(xí)，介紹IGBT在UPS領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

2 IGBT工作原理和工作特性

2.1 IGBT工作原理

IGBT是雙極型晶體管（BJT）和MOSFET的復(fù)合器件，IGBT將BJT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引入到VDMOS的高祖漂流區(qū)，大大改善了器件的導(dǎo)通特性，同時它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗的特點。IGBT所能應(yīng)用的范圍基本上替代了傳統(tǒng)的功率晶體管。

絕緣柵雙極型晶體管本質(zhì)上是一個場效應(yīng)晶體管，在結(jié)構(gòu)上與功率MOSFET相似，只是在原功率MOSFET的漏極和襯底之間額外增加了一個P+型層。

如圖2.1所示為一個N 溝道增強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。P+ 區(qū)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。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)（包括P+ 和P 一區(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。 IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 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一溝道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 一層的空穴，對N 一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓控制的，當(dāng)門極加正向電壓時，門極下方的P區(qū)中形成電子載流子到點溝道，電子載流子由發(fā)射極的N+區(qū)通過導(dǎo)電溝道注入N-區(qū)，即為IGBT內(nèi)部的PNP型晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時，為維持N-區(qū)的電平衡，P+區(qū)像N-區(qū)注入空穴載流子，并保持N-區(qū)具有較高的載流子濃度，即對N-區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制，減小導(dǎo)通電阻，使得IGBT也具有較低的通態(tài)壓降。若門極上加負電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT就關(guān)斷。

圖2.2為IGBT的常用電氣符號，IGBT的等效電路如圖2.3所示，由圖可知，若在IGBT的柵極G和發(fā)射極E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C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G—發(fā)射極E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。

2.2 IGBT的工作特性

2.2.1靜態(tài)特性

IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)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。

2.2.2動態(tài)特性

IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，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。因為IGBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行觸發(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)閮啥巍Ｒ驗镸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。

3 IGBT在UPS中的應(yīng)用

在UPS中使用的功率器件有雙極型功率晶體管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT既有功率MOSFET易于驅(qū)動，控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點、使用IGBT成為UPS功率設(shè)計的首選。

UPS主要有后備式、在線互動式和在線式三種結(jié)構(gòu)，在線式UPS電源具有獨立的旁路開關(guān)、AC/DC整流器、充電器、DC/AC逆變器等系統(tǒng)，工作原理是：市電正常時AC/DC整流器將交流電整流成直流電，同時對蓄電池進行充電，再經(jīng)DC/AC逆變器將直流電逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦波交流電，市電異常時，電池對逆變器供電，在UPS發(fā)生故障時將輸出轉(zhuǎn)為旁路供電。在線式UPS輸出的電壓和頻率最為穩(wěn)定，能為用戶提供真正高質(zhì)量的正弦波電源。

①旁路開關(guān)（ACBYPASSSWITCH）

旁路開關(guān)常使用繼電器和可控硅。繼電器在中小功率的UPS中廣泛應(yīng)用。優(yōu)點是控制簡單，成本低，缺點是繼電器有轉(zhuǎn)換時間，還有就是機電器件的壽命問題?？煽毓璩Ｒ娪谥写蠊β蔝PS中。優(yōu)點是控制電流大，沒有切換時間。但缺點就是控制復(fù)雜，且由于可控硅的觸發(fā)工作特性，在觸發(fā)導(dǎo)通后要在反向偏置后才能關(guān)斷，這樣就會產(chǎn)生一個最大10ms的環(huán)流電流。

②整流器AC/DC

UPS整流電路分為普通橋堆整流、SCR相控整流和PFC高頻功率因數(shù)校正的整流器。傳統(tǒng)的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著UPS技術(shù)的發(fā)展和各國對電源輸入功率因數(shù)要求，采用PFC功率因數(shù)校正的UPS日益普及，PFC電路工作的基頻至少20KHZ，使用的濾波器電感和濾波電容的體積重量大大減少，不必加諧波濾波器就可使輸入功率因數(shù)達到0.99，PFC電路中常用IGBT作為功率器件，應(yīng)用IGBT的PFC整流器是有效率高、功率容量大、綠色環(huán)保的優(yōu)點。

③充電器

UPS的充電器常用的有反激式、BOOST升壓式和半橋式。大電流充電器中可采用單管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和較大的充電電流。

④DC/AC逆變器

3KVA以上功率的在線式UPS幾乎全部采用IGBT作為逆變部分的功率器件，常用全橋式電路和半橋電路。

4 IGBT在UPS電源中應(yīng)用優(yōu)勢

UPS電源采用IGBT整流技術(shù)的優(yōu)勢是很明顯的，由于目前對于大功率相整流電路進行功率因數(shù)校正通常只能做到無源功率因數(shù)補償，6脈沖整流不加濾波器僅為0. 65 左右，12脈沖整流僅為0.9左右，濾波器體積大、重量高。

使用IGBT整流技術(shù)，UPS電源重量輕、拓撲結(jié)構(gòu)簡單，具有更高的 穩(wěn)定性。與采用其他電路拓撲結(jié)構(gòu)和丁.作原理的UPS電源比較，具有電流諧波值小、 可以適應(yīng)各種負載、功效與負載多寡無關(guān)、組件少、體積小、需要置放空間小、無共振及過容量危險、總體可靠性高等優(yōu)點。

使用IGBT整流技術(shù)，UPS電源保護是雙向的，既保護負載，也保護電網(wǎng)。各種用電設(shè)備及電源裝置產(chǎn)生的諧波電流都會污染電網(wǎng)，計算機負載也是非線性用電方式的設(shè)備，也會產(chǎn)生電網(wǎng)諧波污染和無功功率。使用IGBT整流技術(shù)的UPS電源除丫可以降低自身對電網(wǎng)的污染外，還可以消除所帶負載對電網(wǎng)諧波污染和校正功率因數(shù)。采用 IGBT整流技術(shù)，能實現(xiàn)讓用戶在UPS電源后端感到UPS電源提供的是純凈正弦波.讓電網(wǎng)在前端感到UPS電源及所帶的負載組是低諧波的近似阻性負載這樣一個理想目標(biāo)。

5 結(jié)論

綜上論述，具體分析了電力電子器件IGBT的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，介紹了IGBT在UPS電源上的應(yīng)用情況。了解了IGBT完善的功能特色以及在UPS電源中應(yīng)用優(yōu)勢，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展智能化、模塊化必將成為IGBT的發(fā)展熱點，集成化的IGBT專用驅(qū)動電路，將促進其性能更好，整機的可靠性更高，使得IGBT的發(fā)展更進一步。