IGBT的工作原理 IGBT的作用和功能

发布时间:2024-09-04 15:16
作者:AMEYA360
来源:网络
阅读量:529

  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种高性能、高速度的功率半导体器件,是MOSFET和普通双极晶体管的集成体。IGBT融合了MOSFET的驱动特性和双极晶体管的低导通压降等优点,具有高效、低损耗和大电流承载能力等特点。IGBT广泛应用于各种电力电子设备中,如变频器、交流调速电机、UPS电源等。

IGBT的工作原理 IGBT的作用和功能

  1. IGBT的工作原理

  IGBT的结构复杂,但其工作原理却比较简单。IGBT由PNP型双极晶体管和N型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET组成,并在两者之间加入了隔离层,以实现双极晶体管和MOSFET的有机结合。IGBT的主要工作原理如下:

  当IGBT的栅极施加正向电压时,会形成一个N型导通区,从而允许集电极和发射极之间的电流通过。

  反之,当栅极施加反向电压时,则不允许电流通过。

  在IGBT的工作过程中,当控制信号施加到栅极时,将会引起PNP晶体管的导通。在这种情况下,集电极和发射极之间的电流可通过,在控制信号撤回后,IGBT会自动关闭,此时不会通过任何电流。

  2. IGBT的作用和功能

  IGBT拥有多种特性,其主要作用和功能如下:

  (1) 控制电流

  IGBT具有单向导通特性,可控制电路的开关状态。当IGBT的栅极施加正向电压时,允许电流通过;反之,则不允许电流通过。这使得IGBT可以很好地控制电流大小和方向。

  (2) 降低功率损耗

  由于IGBT的导通电阻比双极晶体管低,开关速度又比MOSFET快,因此,IGBT具有较低的导通损耗和开关损耗。这使得IGBT成为高效、低损耗的功率半导体器件。

  (3) 承载大电流

  IGBT的承载电流能力较强,可达300A以上。同时,IGBT具有良好的热稳定性和抗击穿能力,可以在高温和高电压环境下工作,保证设备的安全运行。

  (4) 广泛应用

  IGBT广泛应用于各种电力电子设备中,如变频器、交流调速电机、UPS电源等。其稳定性和高效性的特点被广泛认可,并得到了市场的追捧。

  IGBT是一种重要的功率半导体器件,具有控制电流、降低功率损耗、承载大电流等多种特点。其广泛应用于各种电力电子设备中,为产业的发展和进步做出了重要贡献。

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第7代IGBT正开始在储能领域大放异彩
  在储能技术高速发展的今天,更强的发电与蓄电能力,更高的能源管理效率,更稳定的输送能力都是相关企业追求的方向,这就需要功能更强的IGBT来满足当前储能技术的高需求,而第七代IGBT的出现,正好契合当前储能的发展需要。  第7代IGBT正加速发展  IGBT的发展可以追溯至20世纪80年代,最初的IGBT采用了平面穿通(PT),这种IGBT通过重掺杂的P+衬底开始,但是存在负温度系数、通态压降一致性差等问题,不利于并联使用。尽管如此,它开启了IGBT在电力电子领域的应用。       随着时间的推移,IGBT经历了多次迭代,从非穿通( NPT)结构到场截止( FS)结构的转变,栅极结构也从平面型转向沟槽型(Trench)。这些改进逐步提升了IGBT的性能,包括降低导通压降、缩短开关时间、提高断态电压等,这也是IGBT从第二代到第五代的变化。       到了第六代,IGBT进一步优化了沟槽结构和场截止技术,显著提高了电流密度和能效,降低了开关损耗,同时在高温工作表现上有了显著提升。       而在2018年前后,市场中开始推出的第七代IGBT,引入了微沟槽栅+场截止(Micro Pattern Trench)技术,这是IGBT技术的一次重大飞跃。第七代IGBT的特点包括更高的沟道密度、优化的元胞设计、更低的寄生电容,以及在极端开关速度(如5kV/μs)下仍能保持最佳性能。这使得IGBT7在降低静态损耗、提高开关速度、增强高温工作能力等方面达到新的高度,特别适合于高性能的电动汽车、可再生能源系统和高压直流输电等应用。       其中微沟槽技术能够改善载流子传输特性,从而在不牺牲开关速度的情况下降低静态损耗。这意味着在相同工作条件下,第七代IGBT能更高效地转换电能,减少发热。并且相比第六代IGBT,第七代的静态损耗降低了约30%,这对于提升系统能效和减少冷却需求至关重要。       此外,有数据显示,在相同封装体积下,第七代IGBT的电流输出能力增加了50%以上,这得益于更高的电流密度,使得设备小型化成为可能,或者在不改变体积的前提下提高系统的功率输出。       并且,第七代IGBT也满足了电子行业对更高效率、更小尺寸、更高功率密度和更低损耗的需求。第七代IGBT技术通过实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V,大幅提升了IGBT的性价比。       举个例子,在储能系统中使用第七代IGBT,可以设计出发电和蓄电能力更强的系统,提高能源管理效率,增强储存能力,从而更平稳地将太阳能电力并网到电网中。此外,通过第七代IGBT设计的模块还支持将多余的电力储存在储能系统中,有效缓解太阳能发电的间歇性问题,确保供电的可靠性和稳定性。  七代IGBT赋能储能产业  由于七代IGBT的优秀表现,已经有越来越多的企业将这款产品用在储能领域。比如近期上能电气采用了英飞凌IGBT7 EconoDUAL™3实现单机2MW储能变流器PCS,这是使用了英飞凌最新的EconoDUAL 3封装的750A 1200V模块,型号为FF750R12ME7_B11。       而EH-2000-HA-UD采用的FF750R12ME7,这是一款1200V/750A的IGBT模块,芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与英飞凌上一代IGBT4技术不同,IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术,沟道密度更高,芯片厚度更薄,元胞结构及间距也经过精心设计,并且优化了寄生电容参数,从而实现了最佳开关性能。       此外,在近期,安森美也发布了第七代1200V QDual3 IGBT功率模块。与其他同类产品相比,该模块的功率密度更高,且提供高10%的输出功率。       据安森美介绍,该800A QDual3模块基于新的场截止第七代(FS7)IGBT技术,应用于150KW的逆变器中时,QDual3模块的损耗比同类最接近的竞品少200W,从而缩减散热器尺寸,适合用于太阳能发电站中央逆变器、储能系统、商用农业车辆和工业电机驱动器等大功率变流器。       国内也有许多企业相继推出了七代IGBT,如斯达半导体,在2022年便推出了基于第七代微沟槽技术的新一代车规级IGBT芯片,产品型号包括650V/750V/1200V IGBT芯片,采用第七代微沟槽Trench Field Stop技术,可实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V。       此外如贝茵凯也在2023年末研发出了全系列第七代IGBT芯片,并成功实现大批量生产,成功突破国产化领域的技术壁垒。这款第七代IGBT产品在性能方面显著优于同类中采用传统制程的IGBT芯片,有效解决了导通损耗与开关损耗难以平衡的问题,具备低导通损耗与低开关损耗的双重优势,适用频率范围也得以拓宽,最高适用频率从15kHz-20kHz提升至30kHz-40kHz。       目前该产品已经通过多家行业领军企业的严格测试与认证,并已在电动汽车、风力发电、光伏逆变器及高端化学储能等领域实现小规模供应。       韦尔股份近期也新获得了一项实用新型专利授权,专利名为“一种新型沟槽IGBT结构”,该专利提供了一种新型沟槽IGBT结构,该结构通过减少栅极接触孔的方式,将对应的栅极沟槽中的多晶硅转变成第一发射极沟槽的多晶硅,从而减小栅极电容,使器件开通速度变快,降低开通损耗。而新型沟槽正是七代IGBT的显著特点。       此外如新洁能、振华科技、安建科技等都已经在第七代IGBT中有所建树,为中国乃至全球的新能源汽车、光伏储能、工业控制等领域提供了先进的功率半导体解决方案。  小结  在国际上,安森美等欧美日企业凭借其深厚的技术积累和资金实力,在第七代IGBT技术开发及商业化方面走在前列。而中国IGBT企业如斯达半导、新洁能等也在加速追赶,成功研发并推出了第七代IGBT产品,标志着国内企业在IGBT核心技术上的重大突破。尤其储能产业的快速发展,也为七代IGBT提供了巨大的应用市场,反过来七代IGBT也加速了储能市场的发展。
2024-08-05 09:24 阅读量:580
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  碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体的应用日益增多,然而,在这些新技术出现之前,许多高功率应用都是使用高效、可靠的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT),事实上,许多此类应用仍然适合继续使用 IGBT。在本文中,我们介绍 IGBT 器件的结构和运行,并列举多种不同 IGBT 应用的电路拓扑结构,然后探讨这种多用途可靠技术的新兴拓扑结构。  IGBT 器件结构简而言之,IGBT 是由 4 个交替层 (P-N-P-N) 组成的功率半导体晶体管,通过施加于金属氧化物半导体 (MOS) 栅极的电压进行控制。这一基本结构经过逐渐调整和优化后,可降低开关损耗,且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 将沟槽栅与场截止结构相结合,旨在抑制固有的寄生 NPN 行为。该方法有助于降低器件的饱和电压和导通电阻,从而提升整体功率密度。  应用与拓扑结构如今,IGBT 通常用于特定应用的拓扑结构,下面列举了其中的几种。  焊接机如今许多焊接机使用逆变器,而非传统的焊接变压器,因为直流输出电流可以提高焊接过程的控制精度。使用逆变器还有其他优势,比如直流电流比交流电流安全,而且采用逆变器的焊接机具有更高的功率密度,因此重量更轻。功率级(单相或三相)将交流输入电压转换为逆变器的直流母线电压。输出电压通常为 30 V,但一旦启动焊弧,在开路负载操作几乎低至 0 V 的情况下(短路条件),输出电压可能高达 60 V DC。   焊接逆变器中常用的拓扑结构包括全桥、半桥和双管正激,而恒定电流是最常用的控制方案。占空比因负载电平和输出电压而异。全桥和半桥拓扑结构的 IGBT 开关频率通常在 20 至 50 kHz 之间。  电磁炉电磁炉的原理是,当高磁导率材质的锅靠近线圈时,通过励磁线圈推动(或耦合)锅内的电流循环。其运行方式与变压器大致相同,其中线圈负责初级侧,电磁炉底部负责次级侧。产生的大部分热量来源于锅底层形成的涡电流循环。这些系统的能量传输效率约为 90%,而顶部光滑的无感电器装置的能效仅为 71%,相比之下,(对于同量热传递)前者可节省大约 20% 的能量。逆变器将电流导入铜线圈,从而产生电磁场,电磁场穿透锅底,形成电流。产生的热量遵循焦耳效应公式,即锅的电阻乘以感应电流的平方。   对于电磁炉,比较重要的要求包括:  高频开关  功率因数接近一  宽负载范围  感应加热应用的输出功率控制通常基于可变频率方案。这是一种根据负载或线路频率变化来应用的基本方法。然而,该方法存在一个主要缺点:若要在宽范围内控制输出功率,频率需要大幅变化。  感应加热最常用的拓扑结构基于谐振回路。谐振转换器的主要优势是高开关频率范围,同时能效不会降低。谐振转换器采用零电流开关 (ZCS) 或零电压开关 (ZVS) 等控制技术来降低功率损耗。谐振半桥 (RHB) 转换器和准谐振 (QR) 逆变器是备受欢迎的拓扑结构。RHB 结构的优势包括负载工作范围大,并且能够提供超高功率。  QR 转换器的主要优势是成本较低,因此非常适合低至中功率范围(峰值功率高达 2 kW)、工作频率介于 20 至 35 kHz 之间的应用。  电机驱动半桥转换器 (HB) 是电机驱动应用中一种最常见的拓扑结构,频率介于 2kHz 至 15kHz 之间。HB 输出电压取决于开关状态和电流极性。   考虑到电感负载,电流随后会增加。如果负载汲取正电流 (Ig>0),它将流经 T1,为负载提供能量 (Vg)。相反,如果负载电流 Ig 为负,电流经由 D 流回,将能量返回至直流电源。同样,如果 T4 开通(且 T1 关闭),会有 −Vbus/2 的电压施加于负载,且电流会减小。如果 Ig 为正,电流流经 D4,将能量返回至母线电源。  适合IGBT应用的多电压等级拓扑结构快速开关给 HB 拓扑结构带来的局限性包括:  只有两个输出电压等级  无源和有源元件受到应力  高开关损耗  栅极驱动难度加大  纹波电流升高  EMI变高  电压处理(无法与高电压母线结合使用)  器件串联增加了实施工作的复杂性  难以达到热平衡  高滤波要求  为了摆脱这些局限性,在不间断电源 (UPS) 和太阳能逆变器等应用中,采用新的多电压等级拓扑结构。常见结构包括单极性开关 I 型和 T 型转换器,它们能够在较高的母线电压下工作。随着可用输出状态增多,滤波器元件之间的电压相应减小,因此滤波损耗也更低,元件更小。开关损耗有所降低,而导通损耗则小幅增加(适合 16kHz - 40kHz 的较高频率,可达到约 98% 的高能效)。  IGBT 的未来尽管 IGBT 已经问世很多年,但该技术仍是许多高电压和电流应用的理想之选。IGBT 不仅越来越多地应用于传统设计,还应用于新设计,因为新推出的器件在不断地推动 Vcesat 降低至 1V,并通过新型结构来提高电流密度和开关损耗。若要在使用 IGBT 的过程中获得最大效益,一个关键因素是先了解应用要求,然后选择合适的电路拓扑结构加以实施。
2024-06-25 11:22 阅读量:804
IGBT与MOSFET的区别
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IGBT与MOSFET的区别

  IGBT和MOSFET是当今电子领域中常见的功率半导体器件,它们在电力控制、变换器等领域发挥着重要作用。虽然两者在某些方面有相似之处,但在结构、工作原理和应用场景上存在明显差异。  1.结构差异  IGBT:IGBT是一种混合型半导体器件,结合了双极型晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)的优点。其结构包括PNP型双极晶体管结构和场效应晶体管的栅极。通过加在栅极上的电压信号来控制器件的导通和截止。  MOSFET:MOSFET是一种场效应晶体管,由金属氧化物半导体结构组成。其主要部分包括栅极、漏极和源极,通过栅极电场控制沟道的导电性,实现器件的导通与截止。  2.工作原理差异  IGBT:IGBT的开关速度相对较慢,主要由栅极驱动电路决定。当栅极施加正向电压时,激活PNP晶体管,形成导通;当施加负向电压或零电压时,晶体管截止。  MOSFET:MOSFET具有较快的开关速度,由于栅极电场可以控制电流流经的沟道,因此具有较低的导通电阻。当栅极施加正向电压时,激活沟道导通;当栅极施加负向电压或零电压时,沟道截止。  3.特性比较  3.1 耗散功率  IGBT:在高功率应用中具有较高的耗散能力,适用于大功率交流调制。  MOSFET:具有较低的开关损耗和导通电阻,适用于高频开关电源。  3.2 开关速度  IGBT:开关速度较慢,适用于低频调制及大功率应用。  MOSFET:开关速度较快,适用于高频开关电源和高速开关应用。  3.3 结构复杂性  IGBT:相对MOSFET而言结构较为复杂,包含双极型晶体管结构。  MOSFET:结构简单,易于集成和制造。  3.4 环境适应性  IGBT:具有较强的耐压和耐热性,适用于高温高压环境下的应用。  MOSFET:对于温度和电压波动较为敏感,需配合保护电路使用。  3.5 应用领域  IGBT:广泛应用于电力变换器、电机驱动、逆变器等大功率应用领域。  MOSFET:主要应用于功率放大、开关电源、模拟电路等低功率高频应用领域。  4.适用场景比较  4.1 电力控制  IGBT:在大功率电力控制系统中得到广泛应用,如变频调速、电力传输等。  MOSFET:在低功率电力控制系统中具有优势,如开关电源、电池管理等。  4.2 温度要求  IGBT:耐高温性较强,适用于高温环境下的电力控制系统。  MOSFET:对温度敏感,适用于一般温度环境下的应用。  4.3 频率要求  IGBT:适用于低频调制,如电机驱动等需要稳定输出的场景。  MOSFET:适用于高频开关电源、射频功率放大器等需要快速响应的场景。  4.4 体积和效率  IGBT:由于结构复杂,通常体积较大,但在大功率情况下具有高效率。  MOSFET:体积小巧,适合集成化设计,提高系统效率。  4.5 成本考量  IGBT:相对MOSFET而言,价格更低廉,适合大功率应用场景。  MOSFET:价格略高,但在低功率高频应用中性能更为出色。  IGBT和MOSFET作为电子领域中重要的功率半导体器件,各自具有独特的特性和适用场景。IGBT在大功率、低频电力控制领域具有优势,而MOSFET则在低功率、高频应用中表现较为突出。
2024-03-19 11:23 阅读量:1035
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