IGBT在電力電子器件中的地位及應(yīng)用

1、IGBT在電力電子器件中的地位及應(yīng)用摘要：本文介紹了IGBT在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的地位和作用，分析了國(guó)內(nèi)IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)了IGBT的發(fā)展方向。關(guān)鍵字：功率半導(dǎo)體器件混合型器件IGBT引言20世紀(jì)80年代以來，微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合而產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的電力集成器件，帶來了電力電子技術(shù)的新時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)向現(xiàn)代電力電子技術(shù)的轉(zhuǎn)變。1現(xiàn)代電力電子器件現(xiàn)代電力電子器件是指全控型的電力半導(dǎo)體器件，分為三大類1:雙極型器件、單極型器件和混合型器件。1.1雙極型器件，是指在器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子都參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件。這類器件具有通態(tài)壓降低、

2、阻斷電壓高和電流容量大的特點(diǎn)。適合中大容量的變流裝置。其中，我們常見的交流裝備有：門極關(guān)斷（GTO）晶閘管、電力晶體管（GTR）、靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）。1.2單極型器件，是指器件內(nèi)只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件。具有代表性的產(chǎn)品有電力場(chǎng)控晶體管（電力MOSFET）和靜電感應(yīng)晶體管（SIT）。單極型器件開關(guān)的時(shí)間較短，一般多在幾十納秒以下，這是因?yàn)榇蟛糠值妮d流子導(dǎo)電，無少子存儲(chǔ)效應(yīng)。1.3混合型器件，是指雙極型器件與單極型器件的集成混合。其主導(dǎo)器件為GTR、GTO晶閘管和SCR,將MOSFET用來做控制器件混合集成之后產(chǎn)生的器件。這種器件不僅具有GTR、GTO晶閘管和

3、SCR等雙極型器件電流密度高、導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)，又具備MOSFET等單極型器件輸入阻抗高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。因此，人們開始高度重視這種新型混合器件。IGBT被人們公認(rèn)為最有發(fā)展?jié)摿Φ膹?fù)合器件之一。2絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）2.1IGBT的地位及作用IGBT（InsulatedGateBipolarTransisto），中文我們稱之為絕緣柵雙極晶體管”，是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。它是電力電子技術(shù)的核心技術(shù)，且是電機(jī)控制和功率變換器的首選器件。廣泛用于軌道交通、航空航天等戰(zhàn)略性行業(yè)，具有咼頻率、咼電壓、大電流，易于開關(guān)等優(yōu)良性能，被業(yè)界譽(yù)為功率變流裝置的CPI”它是電力電子領(lǐng)

4、域非常理想的開關(guān)器件，其頻率特性介于MOSFET和功率晶體管之間，可正常工作在幾十Hz的頻率范圍內(nèi),故在較高頻率的大、中頻率應(yīng)用中占主要地位【2】。2.2IGBT的工作原理IGBT和電力MOSFET有很大的淵源，可以說IGBT是根據(jù)電力MOSFET的原理發(fā)展出來的，在結(jié)構(gòu)上面，兩者有很大的相似之處。但是，IGBT具有很強(qiáng)的電流控制能力。原因歸結(jié)于兩者間結(jié)果的不同之處，即：IGBT多一個(gè)P層發(fā)射級(jí)。在IGBT導(dǎo)通時(shí)，這個(gè)p層發(fā)射級(jí)可由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射載流子（空穴），以調(diào)制漂移區(qū)的電導(dǎo)率。IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制的。門極是以正向柵極電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道并未PNP晶體管

5、提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。在門極施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域IGBT作為電機(jī)控制和功率半導(dǎo)體器件首選器件，在軌道交通、航空航天、船舶驅(qū)動(dòng)、新能源電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、高壓變頻、工業(yè)傳動(dòng)及電力傳輸?shù)榷鄠€(gè)重要行業(yè)和領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。目前，在軌道交通高速動(dòng)車組、大功率電力機(jī)車、城軌車輛幾乎普遍采用IGBT;在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域，IGBT成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件；在電力傳輸領(lǐng)域，IGBT在柔性輸電等技術(shù)中發(fā)揮越來越大的作用。同時(shí)，大功率IGBT也是諧波治理中最理想的開關(guān)器件。因此，IGBT具有良好的市場(chǎng)前景。在未來很長(zhǎng)一

6、段時(shí)間內(nèi)，為適應(yīng)全球降低C02排放的戰(zhàn)略需要，IGBT將更加廣泛地應(yīng)用于可再生能源發(fā)電、智能配電與控制、分布式發(fā)電、電力牽引等領(lǐng)域，成為節(jié)能技術(shù)和低碳經(jīng)濟(jì)的主要支撐。3 IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀I(lǐng)GBT是電力電子時(shí)代的新寵。它是一種很優(yōu)秀的電力電子器件，已逐漸替代了晶閘管，成為電力電子技術(shù)平臺(tái)性的器件。雖然國(guó)外的IGBT產(chǎn)業(yè)取得了很大進(jìn)展，但令人嘆惋的是，我們國(guó)家目前并未形成自己的IGBT產(chǎn)業(yè)，目前我們使用的IGBT管子全部是進(jìn)口購(gòu)買的。我國(guó)只能進(jìn)口國(guó)外IGBT芯片，自己進(jìn)行少量封裝。因此對(duì)于我們這樣一個(gè)擁有13億人口的大國(guó)，像IGBT這樣的基礎(chǔ)元件及其相關(guān)技術(shù)，必須擁有自己的IGBT產(chǎn)業(yè)。隨著國(guó)家對(duì)電力電子技術(shù)發(fā)展的重視，相信很快就會(huì)用上自己生產(chǎn)出的IGBT。4 IGBT的發(fā)展方向IGBT的發(fā)展趨勢(shì)有兩個(gè)方向：超大功率模塊和超快速IGBT。其中，超大功率模塊IGBT有望取代GTO，并將其在電力系統(tǒng)、高壓直流輸電、機(jī)車牽引等方面擴(kuò)寬應(yīng)用領(lǐng)域。超快速IGBT則將在高頻開關(guān)電源等方面擴(kuò)大其應(yīng)