IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣栅雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣栅型場效應管）組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 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。非常适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。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣栅雙極型晶體管芯片）與FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體産品；封裝後的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上；

IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化産品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；随着節能環保等理念的推進，此類産品在市場上将越來越多見；

IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興産業，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。

下圖所示為一個N溝道增強型絕緣栅雙極晶體管結構， N 區稱為源區，附于其上的電極稱為源極（即發射極E）。N基極稱為漏區。器件的控制區為栅區，附于其上的電極稱為栅極（即門極G）。溝道在緊靠栅區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區（包括P 和P-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，以降低器件的通态電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極（即集電極C）。

IGBT的開關作用是通過加正向栅極電壓形成溝道，給PNP（原來為NPN）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，隻需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成後，從P 基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進行電導調制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通态電壓。

靜态特性

IGBT 的靜态特性主要有伏安特性、轉移特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與栅極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受栅源電壓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。在截止狀态下的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 緩沖區後，反向關斷電壓隻能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用範圍。

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與栅源電壓Ugs 之間的關系曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當栅源電壓小于開啟電壓Ugs（th） 時，IGBT 處于關斷狀态。在IGBT 導通後的大部分漏極電流範圍内， Id 與Ugs呈線性關系。最高栅源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

動态特性

動态特性又稱開關特性，IGBT的開關特性分為兩大部分：一是開關速度，主要指标是開關過程中各部分時間；另一個是開關過程中的損耗。

IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT 處于導通态時，由于它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通态電壓Uds（on） 可用下式表示：：

Uds（on） = Uj1 Udr IdRoh

式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

通态電流Ids 可用下式表示：

Ids=（1 Bpnp）Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由于N 區存在電導調制效應，所以IGBT 的通态壓降小，耐壓1000V的IGBT 通态壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷态時，隻有很小的洩漏電流存在。

IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，隻是在漏源電壓Uds 下降過程後期， 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栅極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，栅極電壓可由不同的驅動電路産生。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、栅極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT栅極- 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關斷後，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。

IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負栅壓來減少關斷時間，但關斷時間随栅極和發射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降随栅極電壓的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前隻能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生産的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生産廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要采用1um以下制作工藝，研制開發取得一些新進展。2013年9月12日 我國自主研發的高壓大功率3300V/50A IGBT（絕緣栅雙極型晶體管）芯片及由此芯片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過專家鑒定，中國自此有了完全自主的IGBT“中國芯”。

方法

IGBT是将強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數值高的特征，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS（on）特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE（sat）的能力，以及IGBT的結構，同一個标準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理圖。

導通

IGBT矽片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P 基片和一個N 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分）。如等效電路圖所示（圖1），其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P 和 N 區之間創建了一個J1結。 當正栅偏壓使栅極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式産生一股電流。如果這個電子流産生的電壓在0.7V範圍内，那麼，J1将處于正向偏壓，一些空穴注入N-區内，并調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最後的結果是，在半導體層次内臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流（MOSFET 電流）； 一個空穴電流（雙極）。

關斷

當在栅極施加一個負偏壓或栅壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區内。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始後，在N層内還存在少數的載流子（少子）。這種殘餘電流值（尾流）的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特别是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關系。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。

阻斷與闩鎖

當集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚度，将無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區域尺寸，就會連續地提高壓降。 第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的壓降高的原因。

當栅極和發射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結受反向電壓控制，此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT在集電極與發射極之間有一個寄生PNPN晶閘管（如圖1所示）。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT闩鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀态有密切關系。通常情況下，靜态和動态闩鎖有如下主要區别：

當晶閘管全部導通時，靜态闩鎖出現，隻在關斷時才會出現動态闩鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分别改變布局和摻雜級别，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，闩鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結溫的關系也非常密切；在結溫和增益提高的情況下，P基區的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意将集電極最大電流值與闩鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。

輸出特性與轉移特性：

IGBT的伏安特性是指以栅極電壓VGE為參變量時，集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關系曲線。IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性相似，也可分為飽和區I、放大區II和擊穿區III三部分。IGBT作為開關器件穩态時主要工作在飽和導通區。IGBT的轉移特性是指集電極輸出電流IC與栅極電壓之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同，當栅極電壓VGE小于開啟電壓VGE（th）時，IGBT處于關斷狀态。在IGBT導通後的大部分集電極電流範圍内，IC與VGE呈線性關系。

IGBT與MOSFET的對比：

MOSFET全稱功率場效應晶體管。它的三個極分别是源極（S）、漏極（D）和栅極（G）。

主要優點：熱穩定性好、安全工作區大。

缺點：擊穿電壓低，工作電流小。

IGBT全稱絕緣栅雙極晶體管，是MOSFET和GTR（功率晶管）相結合的産物。它的三個極分别是集電極（C）、發射極（E）和栅極（G）。

特點：擊穿電壓可達1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達250kVA以上，工作頻率可達20kHz。

判斷極性

首先将萬用表撥在R×1KΩ擋，用萬用表測量時，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調換表筆後該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則判斷此極為栅極（G ）其餘兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調換表筆後測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極（C）；黑表筆接的為發射極（E）。

判斷好壞

将萬用表撥在R×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT 的集電極（C），紅表筆接IGBT 的發射極（E），此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下栅極（G）和集電極（C），這時IGBT 被觸發導通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置。然後再用手指同時觸及一下栅極（G）和發射極（E），這時IGBT 被阻斷，萬用表的指針回零。此時即可判斷IGBT 是好的。

檢測注意事項

任何指針式萬用表皆可用于檢測IGBT。注意判斷IGBT 好壞時，一定要将萬用　表撥在R×10KΩ擋，因R×1KΩ擋以下各檔萬用表内部電池電壓太低，檢測好壞時不能使IGBT 導通，而無法判斷IGBT 的好壞。此方法同樣也可以用于檢測功率場效應晶體管（P-MOSFET）的好壞。

模塊的選擇

IGBT模塊的電壓規格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關。其相互關系見下表。使用中當IGBT模塊集電極電流增大時，所産生的額定損耗亦變大。同時，開關損耗增大，使原件發熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應大于負載電流。特别是用作高頻開關時，由于開關損耗增大，發熱加劇，選用時應該降等使用。

使用注意事項

由于IGBT模塊為MOSFET結構，IGBT的栅極通過一層氧化膜與發射極實現電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到20～30V。因此因靜電而導緻栅極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點：

在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時，要先将人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電後，再觸摸； 在用導電材料連接模塊驅動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底闆良好接地的情況下操作。 在應用中有時雖然保證了栅極驅動電壓沒有超過栅極最大額定電壓，但栅極連線的寄生電感和栅極與集電極間的電容耦合，也會産生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅動信号，以減少寄生電感。在栅極連線中串聯小電阻也可以抑制振蕩電壓。

此外，在栅極—發射極間開路時，若在集電極與發射極間加上電壓，則随着集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，栅極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發熱及至損壞。

在使用IGBT的場合，當栅極回路不正常或栅極回路損壞時（栅極處于開路狀态），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應在栅極與發射極之間串接一隻10KΩ左右的電阻。

在安裝或更換IGBT模塊時，應十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀态和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間塗抹導熱矽脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇，當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時将導緻IGBT模塊發熱，而發生故障。因此對散熱風扇應定期進行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應器，當溫度過高時将報警或停止IGBT模塊工作。

保管注意事項

一般保存IGBT模塊的場所，應保持常溫常濕狀态，不應偏離太大。常溫的規定為5～35℃ ，常濕的規定在45～75%左右。在冬天特别幹燥的地區，需用加濕機加濕； 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合； 在溫度發生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結露水的現象，因此IGBT模塊應放在溫度變化較小的地方； 保管時，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應選用不帶靜電的容器。

IGBT模塊由于具有多種優良的特性，使它得到了快速的發展和普及，已應用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時的注意事項對實際中的應用是十分必要的。

逆變器與電動機構成的調速傳動系統進入實用化階段已經有近 20 年的曆史。調速系統中的核心“變頻器”是一個複雜的電子系統，易受到電磁環境的影響而發生損壞。工業系統運行過程中，生産工藝的連續性不允許系統停機，否則将意味着巨大的經濟損失。特别是在一些特殊的應用場合，如自動化和宇宙空間系統、核能和危險的化學工廠中，更不允許逆變器因故障停機。由于系統可自動維護性、生存能力等指标的要求明顯提高，近年來對具有容錯能力的控制系統的研究得到了更多的關注。

高故障容限控制系統應迅速地進行故障分析， 故障後主動重構系統的軟硬件結構， 實行冗餘、容錯等控制策略，确保整個系統在不損失性能指标或部分性能指标降低的情況下安全運行，規避異常停機所造成的巨大經濟損失，滿足某些特殊行業的需求。實現高故障容限控制系統的前提條件是準确的故障診斷，隻有準确定位故障，才能據此進行容錯控制，應對逆變器中 IGBT 的開路故障診斷展開研究。

嚴格地說，在變頻器？電機構成的控制系統中任何一個功能單元、任何一個元器件發生故障都是可能的，但變頻器部分發生故障的幾率要遠遠高于電機。而在變頻器中，逆變橋 IGBT 的開路和短路故障又占了相當大的比重。所以針對上述故障的診方法是高故障容限變頻器研究的熱點問題。IGBT的短路故障已有成熟的方案，即通過硬件電路檢測IGBT 的 D-S 壓降，可以準确判别故障管。

IGBT 開路故障也時有發生，一方面是由于過流燒毀，導緻開路，另一方面是由于接線不良、驅動斷線等原因導緻的驅動信号開路。相對于短路故障而言，開路故障發生後往往電機還能夠繼續運行，所以不易被發現，但其危害較大，因為在此情況下其餘 IGBT将流過更大的電流，易發生過流故障；且電機電流中存在直流電流分量，會引起轉矩減小、發熱、絕緣損壞等問題，如不及時處理開路故障，會引發更大的事故。檢測出某 IGBT 開路後，才可以采用橋臂冗餘、四開關等方式繼續安全容錯運行。

歸納國内外學者在 IGBT 開路故障診斷方法上所展開的研究，主要有專家系統法、電流檢測法和電壓檢測法三種。專家系統法基于經驗積累，将可能發生的故障一一列出，歸納出規律并建立知識庫，當發生故障的時候隻需要觀測故障現象，查詢知識庫即可判斷故障類型，難點在于難以窮盡所有的故障現象并得到完備的故障知識庫，而有些故障模态往往與變頻器正常運行時的某種狀态時非常相似，造成了難以準确匹配故障。電壓檢測法通過考察變頻器故障時電機相電壓、電機線電壓或電機中性點電壓與正常時的偏差來診斷故障。隻需要四分之一基波周期便能檢測出故障，大大縮短了診斷時間， 隻是這種方法需要增加電壓傳感器， 通用性差。

電流檢測法最為常用，其又派生出平均電流 Park矢量法、單電流傳感器法和電流斜率法等，平均電流 Park 矢量法以 Coimbra 大學的 J.A.ACaseiro 教授發表的幾篇文章為代表。該方法在α ? β 坐标系下進行，通過 3-2 變換得到 I α 和 I β ，在一個電流周期内求其平均值，根據平均值求得平均電流 Park 矢量。 故障出現時 Park 矢量将不為零，通過判斷其幅值和相位确定哪隻 IGBT 出現故障。平均電流 Park 矢量法的缺點在于其對負載敏感， 負載不同情況下， Park 矢量電流大小不同，會造成評價故障的标準不統一。電流矢量斜率法根據故障前後定子電流矢量軌迹斜率的不同來診斷故障，缺點在于該方法極易受到幹擾而導緻誤判。

針對變頻器逆變橋 IGBT 開路的故障診斷，對平均電流 Park 矢量法、三相平均電流法以及提出的基于傅裡葉變換的歸一化方法做了對比驗證，得到如下結論：

1）平均電流 Park 矢量法和三相平均電流法在穩态情況下可以準确地檢測 IGBT 開路故障，定位故障管，但在突加、突減負載時會出現誤診斷。

2）利用離散傅裡葉變換得到定子電流的直流分量和基波幅值，然後根據基波幅值大小将直流分量歸一化，依據歸一化後的直流分量大小定位開路故障的 IGBT，可解決傳統方法在突加、突減負載時會出現誤診斷的問題。

3）變頻器 IGBT 開路故障診斷提供了有效方法，其可做為容錯控制的基礎，後續工作可以圍繞故障後的容錯控制展開。

衆所周知，IGBT是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點，被廣泛應用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現意外就會使它損壞。為此，必須對IGBT進行相關保護。一般我們從過流、過壓、過熱三方面進行IGBT保護電路設計。

IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒，耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護。那麼該如何根據IGBT的驅動要求設計過流保護呢？

IGBT的過流保護可分為兩種情況：（1）驅動電路中無保護功能；（2）驅動電路中設有保護功能。對于第一種情況，我們可以在主電路中要設置過流檢測器件；針對第二種情況，由于不同型号的混合驅動模塊，其輸出能力、開關速度與du/dt的承受能力不同，使用時要根據實際情況恰當選用。對于大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護則可以通過封鎖驅動信号或者減小栅壓來進行保護。

過壓保護則可以從以下幾個方面進行：

●盡可能減少電路中的雜散電感。

●采用吸收回路。吸收回路的作用是；當IGBT關斷時，吸收電感中釋放的能量，以降低關斷過電壓。

●适當增大栅極電阻Rg。

IGBT的過熱保護一般是采用散熱器（包括普通散熱器與熱管散熱器），并可進行強迫風冷。

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