江南大学电力电子技术考试重点总结

第一篇：江南大学电力电子技术考试重点总结

第二章 电力电子器件

1.通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。

2.电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

3.按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制程度，可以将电力电子器件分为以下三类：①通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件。这类器件主要指晶闸管及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

②通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。目前最常用的是：绝缘栅双极晶体管（IGBT）和电力场效应晶体管（电力MOSFET）。③也有不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要驱动电路，这就是电力二极管，又被称为不可控器件。

4.按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，可以将电力电子器件（二极管除外）分为电流驱动型和电压驱动型两类。

5.根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间有效信号波形，又可将电力电子器件（电力二极管除外）分为脉冲触发型和电平触发型两类。

6.此外，电力电子器件还可以按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为单极型器件，双极型器件和复合型器件。

7.电力二极管的主要参数：正向平均电流IF（AV），正向压降UF，反向重复峰值电压URRM，最高工作结温TJM，反向恢复时间trr，浪涌电流IFSM 8.晶闸管正常工作时特性如下：

①当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。②当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下，晶闸管才能导通。

③晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，无论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。

④若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。9.晶闸管的主要参数：（了解）电压定额：

①断态重复峰值电压UDRM ②反向重复峰值电压URRM ③通态电压UTM

额定电压一般为晶闸管正常工作时所承受的峰值电压2~3倍。电流定额：

①通态平均电流IT（AV）②维持电流IH ③擎住电流IL ④浪涌电流ITSM

第四章 逆变电路

1.换流方式分类： 一般来说，换流方式可分为以下几种：①器件换流；利用全控型器件的自关断能力进行换流，称为器件换流。②电网换流；由电网提供换流电压称为电网换流。③负载换流；由负载提供换流电压称为负载换流。④强迫换流；设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。2.电压型逆变电路有以下主要特点：

①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况不同而不同。③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。3.电流型逆变电路有以下主要特点：

①直流侧串联大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。另外因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。

第五章 直流—直流变流电路

1.基本斩波电路分为：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路。（需清楚其工作原理及相关公式）

2.根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式： ①保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton 称为脉冲宽度调制。

②保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。③ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。其中方式①应用最多。

2.升压斩波电路的基本原理：P123

3.升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键原因有两个，一是电感L储能之后具有使电压泵深的作用，二是电容C可将输出电压保持住。4.升压斩波电路的原理：P126

第六章 交流—交流交流电路

1.通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内，通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。以交流电的周期为单位，控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，可以方便地调节输出功率的平均值，这种电路称为交流调功电路。

2.P150—P151选择题

3.电网频率为50HZ时，交—交变频电路的输出上限频率约为20HZ。

第七章 PWM控制技术

1.面积等效原理 ：冲量相等而形状不同的窄脉冲加上具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。

2.如果给出了逆变电路的正弦波输出频率，幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

3.根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式，可分为异步调制和同步调制两种。

异步调制：是指载波信号和调制信号不保持同步的调制方式。

同步调制：载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式。

第九章 电力电子器件应用的共性问题

1.电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。2.晶闸管触发电路应满足下列要求：

①触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。②触发脉冲应有足够的弧度。

③所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压，电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。

④应有良好的抗干扰性能，温度稳定性及与主电路的电气隔离。

3.电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：操作过电压和雷击过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换相过电压以及关断过电压。4.过电流：过载和短路

5.缓冲电路：又称为吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt，减小器件的开关损耗。

缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路，关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗，开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称为复合缓冲电路。其他分类方法：缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则被成为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，则被成为馈能式缓冲电路或称无损吸收电路

第二篇：电力电子技术课程重点知识点总结

1.解释GTO、GTR、电力MOSFET、BJT、IGBT，以及这些元件的应用范围、基本特性。2.解释什么是整流、什么是逆变。

3.解释PN结的特性，以及正向偏置、反向偏置时会有什么样的电流通过。

4.肖特基二极管的结构，和普通二极管有什么不同？ 5.画出单相半波可控整流电路、单相全波可控整流电路、单相整流电路、单相桥式半控整流电路电路图。6.如何选配二极管（选用二极管时考虑的电压电流裕量）

7.单相半波可控整流的输出电压计算（P44）8.可控整流和不可控整流电路的区别在哪？

9.当负载串联电感线圈时输出电压有什么变化？（P45）

10.单相桥式全控整流电路中，元件承受的最大正向电压和反向电压。

11.保证电流连续所需电感量计算。

12.单相全波可控整流电路中元件承受的最大正向、反向电压（思考题，书上没答案，自己试着算）13.什么是自然换相点，为什么会有自然换相点。14.会画三相桥式全控整流电路电路图，波形图（P56、57、P58、P59、P60，对比着记忆），以及这些管子的导通顺序。

15.三相桥式全控整流输出电压、电流计算。16.为什么会有换相重叠角？换相压降和换相重叠角计算。

17.什么是无源逆变？什么是有源逆变？ 18.逆变产生的条件。

19.逆变失败原因、最小逆变角如何确定？公式。做题：P95：1 3 5 13 16 17，重点会做 27 28，非常重要。

20.四种换流方式，实现的原理。

21.电压型、电流型逆变电路有什么区别？这两个图要会画。

22.单相全桥逆变电路的电压计算。P102 23.会画buck、boost电路，以及这两种电路的输出电压计算。

24.这两种电路的电压、电流连续性有什么特点？ 做题，P138 2 3题，非常重要。25.什么是PWM,SPWM。

26.什么是同步调制？什么是异步调制？什么是载波比，如何计算？

27.载波频率过大过小有什么影响？ 28.会画同步调制单相PWM波形。29.软开关技术实现原理。

30.电力电子器件的保护方法有哪几种？

31.了解晶闸管、电力MOSFRT、IGBT的并联技术。

第三篇：电力电子技术总结

电力电子技术总结

1晶闸管是三端器件，三个引出电极分别是阳极，门极和阴极。2单向半波可控整流电路中，控制角α最大移相范围是0~180°

3单相半波可控整流电路中，从晶闸管开始导通到关断之间的角度是导通角 4在电感性负载三相半波可控整流电路中，晶闸管承受的最大正向电压为√6U2 5在输入相同幅度的交流电压和相同控制角的条件下，三相可控整流电路与单相可控整流电路比较，三相可控可获得较高的输出电压

6直流斩波电路是将交流电能转化为直流电能的电路

7逆变器分为有源逆变器和无源逆变器8大型同步发电机励磁系统处于灭磁运行时，三相全控桥式变流器工作于有源逆变

9斩波器的时间比控制方式分为点宽调频，定频调宽，调宽调频三种 10 DC/DC变换的两种主要形式为斩波电路控制型和直交直电路 11在三相全控桥式变流电路中，控制角和逆变角的关系为α+β=π

12三相桥式可控整流电路中，整流二极管在每个输入电压基波周期内环流次数为6次 13在三相全控桥式整流逆变电路中，直流侧输出电压Ud=-2.34U2cosβ 14在大多数工程应用中，一般取最小逆变角β的范围是β=30° 15在桥式全控有源逆变电路中，理论上你逆变角β的范围是0~30° 16单相桥式整流电路能否用于有源逆变电路中 是

17改变SPWM逆变器中的调制比，可以改变输出电压的幅值 电流型逆变器中间直流环节贮能元件是大电感

19三相半波可控整流电路能否用于有源逆变电路中？ 能

20在三相全控整流电路中交流非线性压敏电阻过电压保护电路的连接方式有星型和三角形 21抑制过电压的方法之一是用储能元件吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗 22为了利用功率晶闸管的关断，驱动电流后延应是一个负脉冲 180°导电型电压源型三相桥式逆变电路，其换相是在同一桥臂的上下两个开关元件之间进行

24改变SPWM逆变器的调制波频率，可以改变输出电压的基波频率。

25恒流驱动电路中抗饱和电路的主要作用是减小器件的存储时间，从而加快关断时间。26在三相全控桥式整流电路单脉冲触发方式中，要求脉冲宽度大于60° 27整流电路的总的功率因数P/S 28 PWM跟踪控制法的常用的有滞环比较方式和三角波比较方式

29单相PWM控制整流电路中，电源IsY与Us完全相位时，该电路工作在整流状态 30 PWM控制电路中载波比为载波频率与调制信号之比 Fc/Fr 31电力电子就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。分为电力电子器件制造技术和变流技术

32电力电子系统由主电路，控制电路，检测电路，驱动电路和保护电路组成。33整流电路：将交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。34逆变电路定义：把直流电逆变为交流电的电路

35有源逆变电路：将交流侧和电网连接时的逆变电路，实质是整流电路形式。36无源逆变电路：将交流侧不与电网连接，而直接接到负载的电路。逆变电路分类：为电压型逆变电路（直流侧为电压源）和电源型逆变电路（直流侧为电流源）38 PWM控制定义：脉冲宽度控制技术39 SPWM波形：PWM波形脉冲宽度按正弦规律变化，与正弦波等效时。40异步调制：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式，即N值不断变化。

41控制方式：保持载波频率Fc固定不变，这样当调制信号频率Fr变化时，载波比N试变化的

42同步调制：在逆变器输出变频工作时，使载波与调制信号波保持同步的调制方式，即改变调制信号波频率的同时成正比的改变载波频率，保持载波比N等于常数。

43分段同步调制：把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内保持载波比N为恒定，不同频段内的载波比不同。

第四篇：电力电子技术第二章总结

2016 电力电子技术

作业：第二章总结

班级：XXXXXX学号：XXXXXXX姓名：XXXXXX 第二章电力电子器件 总结 1.概述

不可控器件——电力二极管(Power Diode)GPD FRD SBD 半控型器件——晶闸管(Thyristor)FST TRIAC LTT 典型全控型器件 GTO GTR MOSFET IGBT 其他新型电力电子器件 MCT SIT SITH IGCT 功率集成电路与集成电力电子模块 HVIC SPIC IPM 1.1相关概念

主电路(Main Power Circuit):在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路｡ 电力电子器件(Power Electronic Device)是指可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件｡

1.2特点

电功率大,一般都远大于处理信息的电子器件｡ 一般都工作在开关状态｡

由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路(主要对控制信号进行放大)｡ 功率损耗大,工作时一般都需要安装散热器｡

通态损耗,断态损耗,开关损耗(开通损耗 关断损耗)开关频率较高时,可能成为器件功率损耗的主要因素｡

电力电子器件在实际应用中的系统组成

一般是由控制电路､驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统｡ 关键词 电力电子系统 电气隔离 检测电路 保护电路 三个端子

1.3电力电子器件的分类 按能够被控制电路信号控制的程度不同可分为 半控型器件(开通可控,关断不可控)全控型器件(开通,关断都可控)不可控器件(开通,关断都不可控)按照驱动信号的性质不同可分为 电流驱动型 电压驱动型

按照驱动信号的波形(电力二极管除外)不同可分为 脉冲触发型 电平控制型

按照载流子参与导电的情况不同可分为 单极型器件(由一种载流子参与导电)双极型器件(由电子和空穴两种载流子参与导电)复合型器件(由单极型器件和双极型器件集成混合而成,也称混合型器件)关键词 控制的程度 驱动信号的性质､波形 载流子参与导电的情况 工作原理 基本特性 主要参数

2不可控器件——电力二极管(Power Diode)2.1结构与工作原理

电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的｡

PN节(PN junction):采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结｡

N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体｡

P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体｡

正向电流IF :当PN结外加正向电压(正向偏置)时,在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流｡

反向截止状态:当PN结外加反向电压时(反向偏置)时,反向偏置的PN结表现为高阻态,几乎没有电流流过的状态｡

反向击穿:PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN结反向偏置为截止的工作状态｡雪崩击穿 齐纳击穿(可以恢复)热击穿(不可恢复)P-i-N结构 电导调制效应(Conductivity Modulation):当正向电流较小时,管压降随正向电流的上升而增加;当正向电流较大时,电阻率明显下降,电导率大大增加的现象｡ 关键词 少子 扩散运动 空间电荷区(耗尽层､阻挡区､势垒区)结电容CJ:PN结中的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应｡(微分电容)扩散电容CD:扩散电容仅在正向偏置时起作用｡正向电压较高时,扩散电容为结电容主要成分｡ 势垒电容CB:势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显｡在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为主｡

作用:结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作｡

2.2基本特性

静态特性(伏安特性)门槛电压UTO 正向电压降UF

反向漏电流是由少子引起的微小而数值定｡ 动态特性

结电容 零偏置,正向偏置,反向偏置 不能立即转换状态 过渡过程

正向偏置时

延迟时间:td=t1-t0

电流下降时间:tf = t2-t1 反向恢复时间:trr= td + tf

恢复特性的软度:Sr= tf / td,或称恢复系数,Sr越大恢复特性越软｡

由零偏置转换为正向偏置

过冲UFP : 原因:1)电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存,在达到稳态导通之前管压降较大｡2)正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降｡电流上升率越大,UFP越高｡

正向恢复时间:tfr

2.3主要参数

正向平均电流IF(AV)正向压降UF 反向重复峰值电压URRM 最高工作结温TJM 反向恢复时间trr 浪涌电流IFSM

2.4主要类型

普通二极管(General Purpose Diode)快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件——晶闸管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)3.1结构和工作原理

内部是PNPN四层半导体结构如图a)P1 区引出阳极A､N2 区引出阴极K､ P2 区引出门极G 工作原理可以用双晶体管模型解释如右图b)｡

工作过程关键词: IG V2 Ic2 Ic1 正反馈 触发 门触发电路

其他几种可能导通的情况

阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 光触发 结温较高 只有门极触发是最精确､迅速而可靠的控制手段｡

3.2基本特性

静态特性

正常工作特性

当晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通 ｡ 当晶闸管承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 ｡

晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用,不论门极触发电流是否还存在,晶闸管都保持导通 ｡ 若要使已导通的晶闸管关断,只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下｡ 伏安特性

如右图所示 包括正向特性和反向特性

正向转折电压Ubo 维持电流IH

反向最大瞬态电压URSM 反向重复峰值电压URRM 断态重复峰值电压UDRM 断态最大瞬时电压UDSM

动态特性

如右图所示

延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt=td+tr 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr

3.3主要参数(包括电压定额和电流定额)电压定额

断态重复峰值电压UDRM 反向重复峰值电压URRM 通态(峰值)电压UT

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压｡选用时,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍｡ 电流定额

通态平均电流 IT(AV)维持电流IH 擎住电流 IL 浪涌电流ITSM 动态参数

开通时间tgt和关断时间tq 断态电压临界上升率du/dt 通态电流临界上升率di/dt

3.4晶闸管的派生器件

快速晶闸管(Fast Switching Thyristor, FST)双向晶闸管(Triode AC Switch——TRIAC or Bidirectional Triode Thyristor)逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶闸管(Light Triggered Thyristor, LTT)

典型全控型器件

4门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)晶闸管的一种派生器件,但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断,因而属于全控型器件｡

4.1结构与工作原理

其结构原理可以参考晶闸管 数十个甚至数百个小GTO单元

4.2基本特性

静态特性和普通晶闸管类似 动态特性

储存时间ts 下降时间tf 尾部时间tt

4.3主要参数

最大可关断阳极电流IATO 电流关断增益off 开通时间ton 关断时间toff

5电力晶体管(Giant Transistor, GTR)5.1结构和工作原理

与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的｡ 最主要的特性是耐压高､电流大､开关特性好｡ 达林顿接法 单元结构 并联 三层半导体 两个PN结

5.2基本特性

右图所示

静态特性

右图所示 动态特性

右图所示

5.3主要参数

电流放大倍数 直流电流增益hFE

集电极与发射极间漏电流Iceo 集电极和发射极间饱和压降Uces 开通时间ton和关断时间toff 最高工作电压

BUceo:基极开路时集电极和发射极间的击穿电压

实际使用GTR时,为了确保安全,最高工作电压要比BUceo低得多｡集电极最大允许电流IcM

集电极最大耗散功率PcM

6电力场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET)6.1结构和工作原理

SDDGN+PN+N+沟道PN+N-GGN+SSDN沟道P沟道a)b)

6.3基本特性

图1-19静态特性

动态特性

MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系,可以降低栅极驱动电路的内阻Rs,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度｡

6.4主要参数

跨导Gfs､开启电压UT以及开关过程中的各时间参数｡

漏极电压UDS

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

栅源电压UGS

极间电容 CGS､CGD和CDS｡

漏源间的耐压､漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区｡

7绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT or IGT)综合了GTR和MOSFET的优点 场控器件

7.1结构和工作原理

内部结构图

其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的｡

7.2基本特性

静态特性 转移特性 输出特性 动态特性

开通过程

开通延迟时间td(on)电流上升时间tr 电压下降时间tfv 开通时间ton= td(on)+tr+tfv

tfv分为tfv1和tfv2两段｡

关断过程

关断延迟时间td(off)电压上升时间trv 电流下降时间tfi

关断时间toff = td(off)+trv+tfi

tfi分为tfi1和tfi2两段

7.3主要参数

最大集射极间电压UCES 最大集电极电流 最大集电极功耗PCM

8其他新型电力电子器件

MOS控制晶闸管MCT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH 集成门极换流晶闸管IGCT

基于宽禁带半导体材料的电力电子器件

第五篇：电力电子技术课程总结

学 号：1111111111

Hefei University

功率变换技术课程综述

报告题目：IGBT研究现状及发展趋势

专业班级： XXXXXXXXXXXX 学生姓名： XXX 教师姓名： ZZZZZ老师 完成时间： 2017年5月14日

IGBT研究现状及发展趋势

中 文 摘 要

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。

关键词：IGBT；半导体；研究现状；发展前景

Present situation and development trend of IGBT research

ABSTRACT IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), insulated gate bipolar transistor, is composed of BJT(bipolar transistor)and MOS(insulated gate FET)composite full controlled voltage composed of driven power semiconductor devices, has the advantages of high input impedance and low conductance GTR with MOSFET through the two aspects pressure drop.The GTR saturation voltage is reduced, the carrier current density is large, but the driving current is large.The driving power of MOSFET is very small and the switching speed is fast, but the turn-on voltage drop is large and the carrier current density is small.IGBT combines the advantages of the above two devices, small driving power and lower saturation voltage KEYWORD:IGBT;Semiconductor;Status;Development prospect.一、引言..............................................................................................................1

二、IGBT介绍.....................................................................................................1 2.1 什么是IGBT..........................................................................................1 2.2 IGBT的各种有关参数...........................................................................1 2.3驱动方式及驱动功率..............................................................................2

三、存在的问题....................................................................................................4

四、研究现状........................................................................................................5

五、发展趋势........................................................................................................6 参考文献................................................................................................................7

一、引言

自20 世纪50 年代末第一只晶闸管问世以来, 电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台, 以此为基础开发的可控硅整流装置, 是电气传动领域的一次革命, 使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代, 这标志着电力电子的诞生。

进入70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品, 普通晶闸管不能自关断的半控型器件, 被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高, 电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展, 是电力电子技术的又一次飞跃, 先后研制出GTR.GTO, 功率MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件, 开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。

二、IGBT介绍

2.1 什么是IGBT 绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和双极晶体管(Bipolar)基础上发展起来的一种新型复合功率器件，具有MOS输入、双极输出功能。IGBT集Bipolar器件通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。作为电力电子变换器的核心器件，为应用装置的高频化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基础。

自IGBT商业化应用以来，作为新型功率半导体器件的主型器件，IGBT在1—100kHz的频率应用范围内占据重要地位，其电压范围为600V—6500V，电流范围为1A—3600A(140mm x 190mm模块)。IGBT广泛应用于工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术，因此被称为功率变流产品的“CPU”、“绿色经济之核”。在未来很长一段时间内，为适应全球降低CO2排放的战略需要，IGBT必将扮演更为重要的角色，是节能技术和低碳经济的重要支点。

2.2 IGBT的各种有关参数

2.2.1容量

低功率IGBT应用范围一般都在600V、1KA、1KHZ以上区域，为满足家电行业的需求，ST半导体，三菱公司推出低功率IGBT产品，适用于微波炉，洗衣机等。而非传统性IGBT采用薄片技术，在性能上高速，低损耗，在设计600V-1200V的IGBT时，其可靠性最高。2.2.2 开关频率

IGBT的开通过程按时间可以分为四个过程，如下：第一：门射电压Vge小于阀值电压Vth时。其门极电阻RG和门射电容CGEI的时间常数决定这一过程。当器件的集电极电流IC 和集射电压VCE均保持不变时，CGEI就是影响其导通延迟时间tdon的唯一因素。第二：当门射电压Vge达到其阀值电压时，开通过程进入第二阶段，IGBT开始导通，其电流上升速率dI/dt的大小与门射电压Vge和器件的跨导gfs有如下关系：dIc/dt=gfs（Ic）＊dVge/dt。其中，dVge/dt由器件的门极电阻Rg和门射电容CGEI所决定（对于高压型IGBT来说，门集电容Cgc可忽略不计）。第三：第三阶段从集电极电流达到最大值ICmax。第四：通之后，器件进入稳定的导通状态。

2.2.3 关断过程

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。

2.3驱动方式及驱动功率

2.3.1 栅极驱动电压

因IGBT栅极—发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行驱动，但 IGBT 的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET 驱动所需偏压强。在+20℃情况下，实测60 A，1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为5～6 V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，当Uge 增

加时，导通时集射电压Uce将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程Uge 增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc的选择不应太大，这足以使 IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力）。2.3.2对电源的要求

对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于 IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使 IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止 IGBT 关断时产生的du/dt误使IGBT导通，应加上一个-5V的关栅电压，以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿，一般为-2～10V之间)。2.3.3对驱动波形的要求

从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使 IGBT 快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在 IGBT 关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压 Ldi/dt，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成 IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及 du/dt 吸收电路性能综合考虑。

2.3.4对驱动功率的要求

由于 IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出：IGP=△Uge/RG+Rg；式中△ Uge=+Uge+|Uge|；RG是IGBT内部电阻；Rg 是栅极电阻。

驱动电源的平均功率为：PAV=Cge△Uge2f，（*式中f为开关频率；Cge 为栅极电容)。2.3.5 栅极电阻

为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT集电极的电压尖峰，应在IGBT栅极串上合适的电阻Rg。当Rg增大时IGBT导通时间延长，损耗发热

加剧;Rg减小时，di/dt 增高，可能产生误导通，使 IGBT 损坏。应根据 IGBT 的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取 Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间(在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整)。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏IGBT，建议在栅射间加入一电阻Rge，阻值为10 kΩ左右。

2.3.6栅极布线要求

合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护IGBT正常工作有很大帮助：

（1）布线时须将驱动器的输出级和lGBT之间的寄生电感减至最低(把驱动回路包围的面积减到最小)；

（2）正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合；

（3）应使用辅助发射极端子连接驱动电路；

（4）驱动电路输出不能和 IGBT 栅极直接相连时，应使用双绞线连接；（5）栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。2.3.7 隔离问题

由于功率IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离。

三、存在的问题

因为IGBT工作时，其漏极区（p+区）将要向漂移区（n-区）注入少数载流子——空穴，则在漂移区中存储有少数载流子电荷；当IGBT关断（栅极电压降为0）时，这些存储的电荷不能立即去掉，从而IGBT的漏极电流也就相应地不能马上关断，即漏极电流波形有一个较长时间的拖尾——关断时间较长（10～50ms）。所以IGBT的工作频率较低。为了缩短关断时间，可以采用电子辐照等方法来降低少数载流子寿命，但是这将会引起正向压降的增大等弊病。

IGBT中存在有寄生晶闸管—MOS栅控的n+-p-n-p+晶闸管结构，这就使得器件的最大工作电流要受到此寄生晶闸管闭锁效应的限制（采用阴极短路技术可以适当地减弱这种不良影响）。

四、研究现状

最近20年中，IGBT的发展很快，技术改进方案很多，并且实用化。每种改进措施的采取，都会把IGBT的性能向前推进。其中，最重要的还是不断把“通态压降—开关时间”的矛盾处理到更为优化的折衷点。不同公司宣布自己研制生产的IGBT进入了第X代。但是，总体看，随着重大技术改进措施的成功，可以把IGBT的演变归纳成以下五代。

（1）第一代：即平面栅(PT)型。它提出了在功率MOS场效应管结构中引入一个漏极侧pn结以提供正向注入少数载流子实现电导调制来降低通态压降的基本方案。

（2）第二代：采用缓冲层，精密控制图形和少子寿命的平面栅穿通（PT）型外延衬底IGBT。器件纵向采用n′缓冲层，既可以减薄有效基区厚度和硅片总厚度来减小通态压降，又能降低该发射结的注入系数，以抑制“晶闸管效应”。器件横向（平面）采用精密图形，减少每个元胞的尺寸，提高器件的开关速度。再采用专门的扩铂与快速退火措施，以控制基区内少数载流子寿命的较合理分布。这样的IGBT耐压达到1200V，通态压降达到2.1-2.3V，锁定效应得到有效抑制。这时，IGBT已经充分实用化了。

（3）第三代：沟槽栅（Trench gate）型IGBT。这一代IGBT采取沟槽栅结构代替平面栅。在平面栅结构中，电流流向与表面平行的沟道时，栅极下面由P阱区围起来的一个结型场效应管（J-FET）是电流的必经之路，它成为电流通道上的一个串联电阻。在沟槽栅结构中，这个栅下面的J-FET是被干法刻蚀的工艺很好地挖去了，连同包围这个区域、延伸到原来栅极下构成沟道的部分P区层也都挖掉。于是n+发射源区和留下的P区层就暴露在该沟槽的侧壁，通过侧壁氧化等一系列特殊加工，侧壁氧化层外侧的P区内形成了垂直于硅片表面的沟道。

（4）第四代：非穿通（NPT）型IGBT。随着阻断电压突破2000V的需求，IGBT中随承受电压的基区宽度超过150微米。这时靠高阻厚外延来生成硅衬底的做法，不仅十分昂贵（外延成本同外延层厚度成正比），而且外延层的掺杂浓度和外延层厚度的均匀性都难以保证。这时，采用区熔单晶硅片制造IGBT的呼声日渐成熟，成本可以大为降低，晶体完整性和均匀性得到充分满足。

（5）第五代：电场截止（FS）型。当单管阻断电压进一步提高，硅片的基区厚度就会急剧增加。于是，IGBT的通态压降势必随其耐压的提高而增大。FS型IGBT吸收了PT型和NPT型两类器件的优点，形成硅片厚度比NPT型器件薄约

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3、又保持正电阻温度系数单极特征的各项优点。

五、发展趋势

IGBT作为电力电子领域非常理想的开关器件，各种新结构、新工艺及新材料技术还在不断涌现，推动着IGBT芯片技术的发展，其功耗不断降低，工作结温不断升高，从125℃提升到了175℃并向200℃迈进，并可以在芯片上集成体二极管，形成逆导IGBT(RC-IGBT/BIGT)，无需再反并联续流二极管，在相同的封装尺寸下，可将模块电流提高30%，还可以将电流及温度传感器集成到芯片内部，实现芯片智能化。

IGBT芯片内部集成传感器通过对IGBT芯片的边缘结构进行隔离处理，可以形成具有双向阻断能力的IGBT(RB-IGBT),在双向开关应用中无需再串联二极管，并具有更小的漏电流及更低的损耗。

与此同时，IGBT的工艺水平也在不断提升，许多先进工艺技术，如离子注入、精细光刻等被应用到IGBT制造上。IGBT芯片制造过程中的最小特征尺寸已由5um，到3um，到1um，甚至达到亚微米的水平。采用精细制造工艺可以大幅提高功率密度，同时可以降低结深，减小高温扩散工艺，从而使采用12英寸甚至更大尺寸的硅片来制造IGBT成为可能。随着薄片与超薄片加工工艺的发展，英飞凌在8英寸硅片上制造了厚度只有40um的芯片样品，不久的未来有望实现产品化应用。

此外，新材料如宽禁带半导体材料技术的发展，可以实现更低功耗、更大功率容量、更高工作温度的器件，其中SiC成为目前的大功率半导体的主要研究方向，并在单极器件上实现商品化，在IGBT等双极器件的研究上也不断取得进展。目前IGBT主要受制造工艺及衬底材料的缺陷限制，例如沟道迁移率及可靠性、电流增益较小及高掺杂P型衬底生长等问题，未来随着材料外延技术的发展，SiC IGBT将会实现突破。

参考文献

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