絕緣柵雙極晶體管（IGBT）原理介紹及在UPS方面應用

趙懿

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

關鍵詞：“IGBT；絕緣柵雙極晶體管”；“MOSFET；金屬-氧化層-半導體-場效晶體管”；“GTR；電力晶體管”

1 前言

近年來，新型功率開關器件IGBT已逐漸被人們所認識，IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 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動線路；高速開關特性，導通狀態低損耗。IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低，是一種適合于中、大功率應用的電力電子器件，IGBT在綜合性能方面占有明顯優勢，非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

本文主要通過對IGBT的結構特性和工作原理的學習，介紹IGBT在UPS領域的實際應用。

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的復合器件，IGBT將BJT的電導調制效應引入到VDMOS的高祖漂流區，大大改善了器件的導通特性，同時它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗的特點。IGBT所能應用的范圍基本上替代了傳統的功率晶體管。

絕緣柵雙極型晶體管本質上是一個場效應晶體管，在結構上與功率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構， N+ 區稱為源區，附于其上的電極稱為源極。P+ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區（包括P+ 和P 一區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（Subchannel region）。而在漏區另一側的P+ 區稱為漏注入區（Drain injector），它是IGBT 特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。 IGBT 的開關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 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和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 一層進行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。IGBT的開通和關斷是由門極電壓控制的，當門極加正向電壓時，門極下方的P區中形成電子載流子到點溝道，電子載流子由發射極的N+區通過導電溝道注入N-區，即為IGBT內部的PNP型晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時，為維持N-區的電平衡，P+區像N-區注入空穴載流子，并保持N-區具有較高的載流子濃度，即對N-區進行電導調制，減小導通電阻，使得IGBT也具有較低的通態壓降。若門極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT就關斷。

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和發射極E之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極C與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發射極之間電壓為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靜態特性

IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

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1、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+ 緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs 之間的關系曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs（th） 時，IGBT 處于關斷狀態。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內， Id 與Ugs呈線性關系。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的觸發和關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動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后，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）為關斷延遲時間，trv為電壓Uds（f）的上升時間。實際應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易于驅動，控制簡單、開關頻率高的優點，又有功率晶體管的導通電壓低，通態電流大的優點、使用IGBT成為UPS功率設計的首選。

UPS主要有后備式、在線互動式和在線式三種結構，在線式UPS電源具有獨立的旁路開關、AC/DC整流器、充電器、DC/AC逆變器等系統，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DC/AC逆變器將直流電逆變為標準正弦波交流電，市電異常時，電池對逆變器供電，在UPS發生故障時將輸出轉為旁路供電。在線式UPS輸出的電壓和頻率最為穩定，能為用戶提供真正高質量的正弦波電源。

①旁路開關（ACBYPASSSWITCH）

旁路開關常使用繼電器和可控硅。繼電器在中小功率的UPS中廣泛應用。優點是控制簡單，成本低，缺點是繼電器有轉換時間，還有就是機電器件的壽命問題。可控硅常見于中大功率UPS中。優點是控制電流大，沒有切換時間。但缺點就是控制復雜，且由于可控硅的觸發工作特性，在觸發導通后要在反向偏置后才能關斷，這樣就會產生一個最大10ms的環流電流。

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高頻功率因數校正的整流器。傳統的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著UPS技術的發展和各國對電源輸入功率因數要求，采用PFC功率因數校正的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達到0.99，PFC電路中常用IGBT作為功率器件，應用IGBT的PFC整流器是有效率高、功率容量大、綠色環保的優點。

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電源中應用優勢

UPS電源采用IGBT整流技術的優勢是很明顯的，由于目前對于大功率相整流電路進行功率因數校正通常只能做到無源功率因數補償，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，UPS電源重量輕、拓撲結構簡單，具有更高的 穩定性。與采用其他電路拓撲結構和丁.作原理的UPS電源比較，具有電流諧波值小、 可以適應各種負載、功效與負載多寡無關、組件少、體積小、需要置放空間小、無共振及過容量危險、總體可靠性高等優點。

使用IGBT整流技術，UPS電源保護是雙向的，既保護負載，也保護電網。各種用電設備及電源裝置產生的諧波電流都會污染電網，計算機負載也是非線性用電方式的設備，也會產生電網諧波污染和無功功率。使用IGBT整流技術的UPS電源除丫可以降低自身對電網的污染外，還可以消除所帶負載對電網諧波污染和校正功率因數。采用 IGBT整流技術，能實現讓用戶在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。

5 結論

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