1.4 变频器常用绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是由美国RCA和GE公司于1982年发明的新型半导体功率器件，是一种电力电子开关器件，在电力电子产品中应用越来越广泛，例如交流电动机调速变频器、中大功率开关电源、不间断电源、电焊机逆变电源、电子镇流器等。

1.4.1 绝缘栅双极晶体管结构特点

绝缘栅双极晶体管是一种集双极型晶体管（BJT）的大电流密度和MOSFET等电压激励场控型器件优点于一体的高压、高频、高速大功率半导体器件。

绝缘栅双极型晶体管简称IGBT，是场效应晶体管（MOSFET）和电力晶体管（GTR）组合在一起而形成的。它的主体部分与GTR相同，也有集电极（C）和发射极（E），而控制极的结构与MOSFET相同，为绝缘栅结构，也称为栅极（G），如图1-18所示。

1.4.2 绝缘栅双极晶体管的类型

绝缘栅双极晶体管根据其结构主要分为N沟道IGBT和P沟道IGBT两大类，是一种采用场效应管作为推动管，大功率晶体管作为输出管的特殊类电力电子器件。

1.4.3 绝缘栅双极晶体管的特点

绝缘栅双极晶体管的主要特点表现在以下几个方面。

1.输入阻抗高

绝缘栅双极晶体管输入阻抗高，栅极驱动功率极小，驱动电路也很简单。

2.电流密度大

绝缘栅双极晶体管芯片面积比MOSFET小一倍多的IGBT，电流容量比同样耐压的MOSFET大两倍以上。

3.饱和压降低

绝缘栅双极晶体管以耐压600V的IGBT为例，在10A～40A电流下，饱和压降UCE（sat）典型值仅1.6V左右。有源面积0.1cm2的IGBT，在IC≥2A下，开通损耗比功率相当的有源面积为0.56cm2的MOSFET还要小。

4.安全工作区范围大

绝缘栅双极晶体管工作电压和工作电流范围大，击穿电压高，耐短路时间达10μs，在较高的瞬态功率下不会受损坏。

5.开关速度快

绝缘栅双极晶体管IGBT的开关下降时间小于100ns，最高开关频率达150kHz以上，与MOSFET相当，即使在200kHz的硬开关下，也可稳定工作。

6.热阻小，散热能力和耐高温能力强

例如，绝缘栅双极晶体管用耐压600V、芯片面积为0.654cm2的MOSFET，管壳（体）温度可降低10℃，损耗降低5%以上。

1.4.4 绝缘栅双极晶体管电路图形符号识别方法

它们的电路符号如图1-19（a）与（b）所示。由于大功率IGBT内部c、e极间通常内接快恢复二极管（FRD），故这类管子的电路图形符号如图1-19（c）与（d）所示。

从图1-19中可看出，IGBT有三个电极，其中的G为栅极，c为集电极，e为发射极。

1.4.5 绝缘栅双极晶体管主要参数

1.IGBT的集电极与发射极间额定电压

集电极与发射极间额定电压是指IGBT在截止状态下，其集电极与发射极之间能够承受的最大电压，通常采用字母UCES来表示。

2.IGBT的栅极与发射极之间额定电压

栅极与发射极之间额定电压是指IGBT栅极与发射极之间允许施加的最大电压，通常采用字母UGES来表示。UGES电压通常为20V。

3.IGBT的集电极额定电流

集电极额定电流是指IGBT在饱和导通状态下允许持续通过的最大电流，通常采用字母Ic来表示。

4.IGBT集电极与发射极间饱和电压

集电极与发射极间的饱和电压是指IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间电压降，通常采用字母UCE来表示。

5.IGBT开关频率

由于IGBT的开通时间与关断时间都很小，故开关频率较高，可达30～40kHz。在变频器中，实际使用的载波频率大多在15kHz以下。

1.4.6 绝缘栅双极型晶体管工作特点

1.绝缘栅双极型晶体管控制部分工作特点

由绝缘栅双极型晶体管构成的基本电路如图1-20所示。在该电路中，控制信号为电压信号UGE，栅极与发射极之间的输入阻抗很大，故信号电流与驱动功率（控制功耗）均很小。

2.绝缘栅双极型晶体管主体部分工作特点

绝缘栅双极型晶体管由于和电力晶体管相同，额定电压与电流容易做得较大，故在中小容量的变频器中，IGBT已经完全取代了GTR。

总而言之，IGBT是一种以极小的控制功率来控制大功率电路的器件，非常适合于在变频器中的大功率驱动电路中使用。