绝缘栅双极晶体管（IGBT）原理介绍及在UPS方面应用

赵懿

摘要： IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），也称为绝缘栅双极晶体管，是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，本文主要介绍了IGBT的结构特性、工作原理，最后对IGBT在UPS方面的实际应用进行了分析介绍。

关键词：“IGBT；绝缘栅双极晶体管”；“MOSFET；金属-氧化层-半导体-场效晶体管”；“GTR；电力晶体管”

1 前言

近年来，新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识，IGBT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， 与以前的各种电力电子器件相比，IGBT具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性，导通状态低损耗。IGBT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，是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，IGBT在综合性能方面占有明显优势，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。

本文主要通过对IGBT的结构特性和工作原理的学习，介绍IGBT在UPS领域的实际应用。

2 IGBT工作原理和工作特性

2.1 IGBT工作原理

IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，IGBT将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高祖漂流区，大大改善了器件的导通特性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗的特点。IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管。

绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管，在结构上与功率MOSFET相似，只是在原功率MOSFET的漏极和衬底之间额外增加了一个P+型层。

如图2.1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。P+ 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，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的开通和关断是由门极电压控制的，当门极加正向电压时，门极下方的P区中形成电子载流子到点沟道，电子载流子由发射极的N+区通过导电沟道注入N-区，即为IGBT内部的PNP型晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，为维持N-区的电平衡，P+区像N-区注入空穴载流子，并保持N-区具有较高的载流子浓度，即对N-区进行电导调制，减小导通电阻，使得IGBT也具有较低的通态压降。若门极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT就关断。

图2.2为IGBT的常用电气符号，IGBT的等效电路如图2.3所示，由图可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流電压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

2.2 IGBT的工作特性

2.2.1静态特性

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似。也可分为饱和区1、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs（th） 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

2.2.2动态特性

IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期， PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td（on）为开通延迟时间， tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td （on） tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td（off）为关断延迟时间，trv为电压Uds（f）的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t（f1）和t（f2）两段组成，而漏极电流的关断时间t（off）=td（off）+trv十t（f），式中，td（off）与trv之和又称为存储时间。

3 IGBT在UPS中的应用

在UPS中使用的功率器件有双极型功率晶体管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT既有功率MOSFET易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低，通态电流大的优点、使用IGBT成为UPS功率设计的首选。

UPS主要有后备式、在线互动式和在线式三种结构，在线式UPS电源具有独立的旁路开关、AC/DC整流器、充电器、DC/AC逆变器等系统，工作原理是：市电正常时AC/DC整流器将交流电整流成直流电，同时对蓄电池进行充电，再经DC/AC逆变器将直流电逆变为标准正弦波交流电，市电异常时，电池对逆变器供电，在UPS发生故障时将输出转为旁路供电。在线式UPS输出的电压和频率最为稳定，能为用户提供真正高质量的正弦波电源。

①旁路开关（ACBYPASSSWITCH）

旁路开关常使用继电器和可控硅。继电器在中小功率的UPS中广泛应用。优点是控制简单，成本低，缺点是继电器有转换时间，还有就是机电器件的寿命问题。可控硅常见于中大功率UPS中。优点是控制电流大，没有切换时间。但缺点就是控制复杂，且由于可控硅的触发工作特性，在触发导通后要在反向偏置后才能关断，这样就会产生一個最大10ms的环流电流。

②整流器AC/DC

UPS整流电路分为普通桥堆整流、SCR相控整流和PFC高频功率因数校正的整流器。传统的整流器由于基频为50HZ，滤波器的体积重量较重，随着UPS技术的发展和各国对电源输入功率因数要求，采用PFC功率因数校正的UPS日益普及，PFC电路工作的基频至少20KHZ，使用的滤波器电感和滤波电容的体积重量大大减少，不必加谐波滤波器就可使输入功率因数达到0.99，PFC电路中常用IGBT作为功率器件，应用IGBT的PFC整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优点。

③充电器

UPS的充电器常用的有反激式、BOOST升压式和半桥式。大电流充电器中可采用单管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和较大的充电电流。

④DC/AC逆变器

3KVA以上功率的在线式UPS几乎全部采用IGBT作为逆变部分的功率器件，常用全桥式电路和半桥电路。

4 IGBT在UPS电源中应用优势

UPS电源采用IGBT整流技术的优势是很明显的，由于目前对于大功率相整流电路进行功率因数校正通常只能做到无源功率因数补偿，6脉冲整流不加滤波器仅为0. 65 左右，12脉冲整流仅为0.9左右，滤波器体积大、重量高。

使用IGBT整流技术，UPS电源重量轻、拓扑结构简单，具有更高的 稳定性。与采用其他电路拓扑结构和丁.作原理的UPS电源比较，具有电流谐波值小、 可以适应各种负载、功效与负载多寡无关、组件少、体积小、需要置放空间小、无共振及过容量危险、总体可靠性高等优点。

使用IGBT整流技术，UPS电源保护是双向的，既保护负载，也保护电网。各种用电设备及电源装置产生的谐波电流都会污染电网，计算机负载也是非线性用电方式的设备，也会产生电网谐波污染和无功功率。使用IGBT整流技术的UPS电源除丫可以降低自身对电网的污染外，还可以消除所带负载对电网谐波污染和校正功率因数。采用 IGBT整流技术，能实现让用户在UPS电源后端感到UPS电源提供的是纯净正弦波.让电网在前端感到UPS电源及所带的负载组是低谐波的近似阻性负载这样一个理想目标。

5 结论

综上论述，具体分析了电力电子器件IGBT的结构特点和工作原理，介绍了IGBT在UPS电源上的应用情况。了解了IGBT完善的功能特色以及在UPS电源中应用优势，随着半导体技术的不断发展智能化、模块化必将成为IGBT的发展热点，集成化的IGBT专用驱动电路，将促进其性能更好，整机的可靠性更高，使得IGBT的发展更进一步。