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, 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。 图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 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。

IGBT模块的选择

　　IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。

使用中的注意事项

　　由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点：

　　在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸； 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

　　此外，在栅极—发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。

　　在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。

　　在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。

保管时的注意事项

　　一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为5～35℃ ，常湿的规定在45～75％左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿; 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合； 在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方； 保管时，须注意不要在IGBT模块上堆放重物； 装IGBT模块的容器，应选用不带静电的容器。

　　IGBT模块由于具有多种优良的特性，使它得到了快速的发展和普及，已应用到电力电子的各方各面。因此熟悉IGBT模块性能，了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要。

发展历史

　　1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。

　　80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。[2]在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。

　　90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。[4]在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。

　　硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。

　　这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。

　　1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。

　　IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。

　　现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

 ＩＧＢＴ晶体管；串联谐振；半可控整流 长期以来可控硅中频电源占领着国内感应加热设备的主流，它的负载采用并联谐振方式．此种电源具有技术成熟、负载匹配方便等优点，但由于它的整流部分采用可控硅全控整流方式，所以对电网产生的谐波污染严重；同时由于它的负载是一种电流型谐振方式，电压低电流大，所以线路损耗比较大。随着国家对治理电网污染和节能降耗的要求的提出，市场急需一种无谐波干扰，并且节能降耗的感应加热设备来满足广大用户要求，我公司根据目前市场需求组织开发了节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源。 ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）是一种大功率半导体器件，它是一种双极性绝缘栅晶体管。于８０年代开始投入市场。目前世界上主要有以下几个厂家：德国西门子（ＥＵＰＥＣ）、德国西门康（ＳＥＭＩＫＲＯＮ）、日本三菱公司、美国ＡＢＢ公司，我公司目前采用德国西门康公司的ＳⅪ订５００ＧＡｌ２８ＤＩＧＢＴ模块。它是一种正温度系数的ＩＧＢＴ模块，有利于并联时均流。１节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源组成 节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源共由四部组成，它们分别为整流、滤波、逆变输出、熔炼炉体。结构图如下： 素 Ｃ 节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源各部分工作原理如下： （１）整流部分：ＩＧＢＴ中频整流采用半可控方式，可控硅仅作开关使用，即每当启动设备时整流后的电压总保持５００Ｖ，而不随功率大小而变化，这样可大大减小了谐波的产生，减轻了对电网的谐波干扰。整流控制部分采用ＣＰＬＤ控制，它与ＩＧＢＴ中频主板之间通过四根线进行连接，其中两根作为启动整流线，另两根作为停止、保护信号线。 （２）滤波部分：ＩＧＢＴ中频采用电抗器滤波和电解电容滤波两种方式，电抗器滤波可使电流连续。电解电容滤波可使电压恒定，这样可保逆变部分得到一个稳定的电压源和电流源。 （３）ＩＧＢＴ模块逆变部分：逆变部分采用半桥逆变。逆变器件为ＩＧＢＴ模块．它是由德国西门康公司生产的（ＳＥＭＩＫＲＯＮ），此种模块为一种正温度系数的模块，即当温度升高时它的通态阻抗将增大，这样有利于均流。 １７８ 李庆新节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源（４）ＩＧＢＴ模块驱动：驱动部分采用德国西门康公司生产的配套驱动板，此种驱动板驱动能力强，保护功能完善，可同时驱动６块ＩＧＢＴ模块，具有过流、过压保护功能。高档次的驱动板是设备可靠运行的有利保障。 （５）驱动电源：驱动电源采用隔离电模块，即驱动电源的“地”与外部电源是隔离的。这样可避免外部干扰的影响．有利于设备的可靠运行。 （６）主控板：主控制板由我公司自主开发设计。它具有以下功能 ①脉冲合成功能：主控制板将单路脉冲信号通过ＪＫ触发器分成两路脉冲，然合通过一系列的逻辑门电路将此信号合成为两路对称的双路脉冲，两路脉冲之间的死区时间可调。②频率跟踪功能：主控板将槽路信号与调功电位器电压信号合成一复合电压信号，通过此电压信号控制压控振荡器的输出频率，从而使线路板上的输出频率始终跟随槽路频率。说明：调功电位器实质是调整换流角度。③同步保护功能：当槽路频率与主控制板上触发输出脉冲频率不同步时，设备功率将自动降到最低，这样有利于保护设备。④过流、限流功能：ＩＧＢＴ中频主控制板具有两路过流和限流功能，一路来自三相进线，另一路来自感应圈。当超过所设定的电流值时主控制板将报过流故障。并自动停止设备运行；当输出电流达到所规定的电流时主控板将进行限流状态，并使电流稳定于所设定的电流值不变，此时达到恒功率运行。⑤水温、水压保护功能：ＩＧＢＴ中频主控板通过温度传感器监视循环水的温度，当水温超出所规定的温度时主控制板将报警，同时自动停止设备运行；ＩＧＢＴ中频主控板同时具有水压保护功能。因ＩＧＢＴ中频采用内外两个循环．所以水压保护分为内水压和外水压报警，当水压低于设定的水压值时主控板将报警，同时自动停止设备运行。２节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源性能特点 （１）节能：节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源比传统可控硅中频电源节能２５％～２８％，节能的主要原因有以下几个方面：①逆变电压高，电流小，线路损耗小，此部分可节能１５％～１８％｝，节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源逆变电压为２８００Ｖ，而传统可控硅中频电源逆变电压仅为７５０ Ｖ，电流小了近４倍，线路损耗大大降低；②功率因数高，功率因数始终大于０．９８，无功损耗小，此部分可可控硅中频电源节能３％～５％。由于节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源采用了半可控整流方式，整流部分不调可控硅导通角，所以整个工作过程功率因数始终大于０．９８，无功损耗小；③炉口热损失少：由予节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源比同等功率可控硅中频电源一炉可快２０ｍｉｎ，２０ｍｉｎ时间内炉口损失的热量可占整个过程的３％，所以此部分比可控硅中频可节能３％左右。 节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源与可控硅中频电源经济效益对比表 电源类型 电耗 熔化率 节约电能 节约电费 年产量 经济效益 ０．５吨可控硅中频炉 ８５０度／吨 １．５小时，吨 不节电 不节约 １０００吨 无效益 ０．５吨ＩＧＢＴ晶体管巾频电源 ６５０度／吨 １小时／ｏ．５吨 节电２００度／吨 节约（Ｏ．５元／度）１００元／吨 １４００吨 １４万元 ０．７５吨以上Ｈ，控硅中频电源９００度／吨 １．５度／吨 小节电 不节约 １０００吨 无效益 ０．７５吨以上ＩＧＢＴ晶体管中频电源６００度／吨 １小时／吨 节电３００度／吨 节约（０．５元／度）１５０元／吨 １５００吨 ２２．５万元 （２）无高次谐波干扰：高次谐波主要来自整流部分调压时可控硅产生的毛刺电压，它会严重污染电网，导致其它电器设备无法正常工作，而节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源的整流部分采用半可控整流方式，直流电压始终工作在最高，不调导通角，所以它不会产生高次谐波，不会污染电网、变压器，开关不发热，不会干扰工厂内其它电子设备运行。 （３）恒功率输出：可控硅中频电源采用调压调功，而节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源采用调频调功，它不受炉料多少和炉衬厚薄的影响，在整个熔炼过程中始终保持恒功率输出，节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源是唯一实现恒功率输出的变频电源，尤其是生产不锈钢、铜、铝等不导磁物质时，更显示它的优越性，熔化速度快，炉料元素烧损少。节能效果更好。降低了铸造成本。 （４）产品启动性能好：节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源的逆变方式为串联逆变，串联逆变的其中一个特点为１００％启动，所以节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源彻底解决了可控硅中频启动困难的问题。不论空载还是满载均能１００％启动。 １７９ 李庆新节能型ＩＧＢＴ晶体管中摄电源 （５）使用维修方便：节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源电路结构简清，保护齐全，具备完备的故障显示功能能迅速找到故障点．维修方便。３技术参数与工作波形 节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源（以３００ ｋＷ为例）技术参数如下①三相进线电压３８０Ｖ．＠直流电压５００Ｖ；＠直流电流６００Ａ；④感应圈电压２８００Ｖ：＠中频频率２ ｋＨｚ＠熔化率Ｏ ５７ｔ／ｈ；⑦电耗６３０ ｋＷ ｈ／ｔ。 各部分工作渡形如下： ①ＩＧＢＴ触发波形： 实测照片如下 逆变电压电流波形图：测试方｛击：采用双踪示渡器一路澍逆变输出电压。另一路测互感器采样波形，实测波形如下．电压超前电流２ ｕｓ，当加料时保证电压不超前电流，具体渡形如下。