用IGBT构成的高频整流器和用晶闸管一样是对输入电压波形实行切割，所不同的是，晶闸管是对输入电压波形实现集中切割，需要多少切割多少;而且BT是对输入电压波形实行均匀地高频切割，如图2.18所示。有的是频率固定而切割宽度可调，有的是宽度固定而频率可调，这样做的目的是为了使输入电流和电压同相，达到输入功率因数为l的目的。既然如此，就和用晶闸管时不一样了，是不是 就可以将输人电压的变化范围变得很大呢? 事情也并非如此简单。为了说明这个问题， 不得不从IGBT的性质说起，而且IGBT将是图2. 18用IGBT作高频整流器的切割波形情况今后UPS中的主导器件。
2) IGBT的性能
IGBT称做绝缘门极双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，它是综合了功率场效应管MOSFET和达林顿晶体管GTR二者的优点的一种器件。由表2.1可以看出它们之间的关系。
从表中可以看出， IGBT的性能处于功率场效应管MOSFET和达林顿晶体管GTR之间，并且集中了二者的优点。比如， GTR是电流驱动，因此驱动效率低、驱动电路复杂，而MOSFET是电压驱动，因此驱动效率特别高，驱动电路也简单，于是， IGBT就采用了电压 驱动方式;器件打开后， MOSFET的饱和压降大，造成功耗大、效率低，而GTR的饱和压降非常低，因此其功耗小、效率高，故IGBT就采用了它的这个优点，等等。所以IGBT一问世就得到了广泛的使用。据东芝公司以前的报导， 1200V/100A等级IGBT的导通电阻是同一耐压规格功率MOSFET的1110;开关时间是同规格GTR的1110。一般GTR的工作频率在5kHz以下， MOSFET在30kHz以上， IGBT的工作频率在10 ~ 30kHz之间。
3) IGBT的简单工作原理
上述那些优点是如何实现的呢?这个问题可以用图2.19 (a)所示的简化等效电路来说明。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，图中电阻Rd，是厚基区GTR基区内的调制电阻。它有三个极，分别称做漏极D (Drain)、游、极S (Source)和栅极G (Gate)，有的也将栅极称为门极。由这个等效电路图也可以看出， IGBT是以GTR为主导的器件， MOS-FET只是一个驱动器件。图中的GTR是PNP管构成的达林顿管， MOSFET为N沟道器件。 因此这种结构称为N-IGBT，或称N沟道IGBT。
IGBT的图形符号有两种，如图2.19 (b)所示。图2. 19 (b)左面表示的是N-IGBT的 一种图形符号，它和MOSFET的图形符号基本相似，不同的是在漏极增加了一个向内的箭头，其含义就是注入孔穴。至于P-IGBT的图形符号也类似，只要把原来的箭头方向反转180。就可以了。图2. 19 (b)右面表示的是N-IGBT的另一种图形符号，在这里漏极和源极 的名称被集电极C (Collector)和发射极E (Emitter)所代替。
IGBT的开通与关断是由门极电压来控制的。门极加上正向电压时， MOSFET内形成沟 道，并为PNP晶体管提供基极电流通路，从而打开IGBT，使其进入导通状态。此时，从P(区)注入到N(区)的空穴(少数载流子)对N(区)进行电导调制，以减小N(区)的电阻Rd"使Rd，耐压的IGBT也具有通态电压特性。在门极上施加反向电压后， MOSFET的沟道消失， PNP晶体管的基极电流通道被切断，从而IGBT被关断。由此可见， IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。
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4) IGBT的掣住效应与安全工作区
(1) IGBT的掣住效应
IGBT在UPS中应用颇广，尤其在高频机中，整流器和逆变器己应用多时，成为UPS的 主导器件，因此不妨在这里多作一些介绍。虽然已被广泛应用于功率电子设备中，但和其他器件一样， IGBT也不是十全十美的，也有一定的局限性。掣住效应与安全工作区的限制就规定了它的使用范围和存在的问题。为了简单起见，曾用图2.19 (a)的等效电路来说明它的工作原理，但是IGBT更复杂的现象需用图2.20的等效电路来解释。从这个等效电路中可以看出， IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在，它由PNP和NPN两个晶体管构成，这也正是晶闸管的等效电路。NPN晶体管的基极与发射极之间由于器件PN结结构的原因形成了一个井联的体区电阻Rbr，在该电阻上P型体区的横向空穴流会产生一个压降。对于13结来说，相当于加上了一个正向偏置电压，在规定的漏极电流范围内，这个正向偏压值并不大，对NPN晶体管不起作用。当漏极电流增大到一定程度时，该正向偏置电压就足以使NPN晶体管开通，由于NPN晶体管的开通为PNP晶体管的基极电流提供了通路，进而使这个管子也达到开启的程度， PNP晶体管的开通又为NPN提供了足够的基极电流，这样一个死循环雪崩式的正因馈过程使寄生晶闸管完全开通，这时即使在门极上施加负偏压也不能控制其关断，这就是所谓的掣住效应。IGBT出现掣住效应后，漏极电流因已不受控制而进一步增大，最后导致器件损坏。由此可知，漏极电流有一个临界值10M，大于此值的电流就会导致掣住效应。为此，器件制造厂必须规定漏极的电流最大值10M，以及与此相应的门源电压最大值。漏极通态电流的连续值超过10M时产生的掣住效应称为静态掣住现象。
值得指出的是， lGBT在关断的动态过程中也会产生掣住效应。动态掣住效应所允许的漏极电流比静态时小，因此，制造厂家所规定的10M值一般是按动态掣住效应所允许的最大漏极电流确定的。lGBT关断时， MOSFET的关断十分迅速， lGBT的总电流也很快减小为零。与此相应， 12结上的反向电压也在迅速建立，此电压建立的快慢与lGBT所能承受的重加电压变化率也os/dt有关。duos/ dt越大， 12结上的反向电压就建立得越快;但同时duos/dt在12结上引起的位移电流el2 ( duos/ dt)越大。此位移电流为空穴电流，也称做出口s/dt电 流。当duos/dt电流流过体区扩展电阻Rb，时，就会产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，从而满足寄生晶闸管开通掣住的条件。由此可知，动态过程中掣住现象的产生主要由duos/出来决定。除此之外还有温度的影响，当温度过高时PNP和NPN晶体管的泄漏电流也 会使寄生晶闸管产生导通掣住的现象。
从上述的讨论可以看出，当采用lGBT进行高频整流时，也会出现与晶闸管同样的情况。因此，它的输人电压范围也不会比晶闸管宽，一旦掣住现象发生也将面临和晶闸管同样的命运，在设计时要充分考虑到这一点。
为了避免lGBT出现掣住现象，在设计电路时应保证lGBT中的电流不要超过10M;或者用加大门极电阻矶的办法延长lGBT的关断时间，或减小重加duos/dt值。
(2) lGBT的安全工作区SOA (Safe Operating Area)
任何元器件都存在一个安全工作区， lGBT也不例外，它在开通与关断时也有安全区。
在上例N型lGBT中，开通时为正向偏置，其安全区称为正向偏置安全工作区，简写为FB-SOA，如图2.21 (a)所示。FBSOA与其导通时间t密切相关，导通时间很短时FBSOA为矩 形区域，随着导通时间的加长，安全区的范围逐渐缩小，直流(DC)工作时的范围最小。这是因为导通时间越长，发热越严重。这种情况与MOSFET的情况相似。
IGBT关断时的门极电压为反向偏置，其安全区称为反向偏置安全工作区，简写为RB- SOA，如图2.21 (b)所示。RBSOA和FBSOA稍有不同， RBSOA随着IGBT关断时的重加 duos/dt而改变。电压巾。s/dt上升率越大，安全工作区越小，它与晶闸管和GTO等器件一样，过高的重加duos/dt会使IGBT导通，产生掣住效应。一般通过适当选择门源电压和门极驱动电阻即可减缓重加duos/dt的速率，以防止掣住效应的发生。
最大漏极电流10M是根据避免动态掣住效应而确定的，与此相应还确定了最大的门源电压VCSM，只要不超过这个值，外电路发生故障时， lGBT从饱和导通状态进人放大状态，漏极电流与漏游、电压元关，基本保持为恒定值，这种特性有利于通过控制门极电压使漏极电流不再增加，进而避免掣住效应的发生。在这种状态下应尽快关断lGBT，以避免因过度发热而导致器件损坏。比如当门源电压VCS = 10 ~ 15V时，漏极电流可在5 ~ 10µs内超过额定电流4 ~ 10倍，在这种情况下仍能用反向偏置的VCS进行关断。若超过这个界限， IGBT就有损坏的危险。
IGBT允许的最大漏源电压VOSM是由该器件中PNP晶体管的击穿电压确定的，目前已有耐 压1200V以上的器件。IGBT的最高允许结温一般商用器件为150"(:。功率MOSFET的通态压降随着结温的升高而显著增加，而且BT的通态压降VOS(on)则在室温和最高结温之间变化甚小，其原因是IGBT中MOSFET部分的压降为正温度系数，而PNP晶体管部分的压降是负温度系数，两者相结合使器件获得了良好的温度特性。现以东芝公司MG25N2S1型25A110∞V的IG-BT模块为例，说明它的具体特性和参数，便不了解这种器件的读者有一个定性和定量的印象。 表2.2给出了该模块的最大额定值;表2.3给出了其各种电气特性。在这里IGBT各电极的参数采用图2.19 (b)右图所示的符号，即漏极改为集电极，源极改为发射极。
在上述表中，源漏电压(即集电极-发射极电压) VCES可以是600V、1000V和1200V等，但其门极-发射极电压VCES是不可以超过的，同样结温和紧固力矩也是不可以超过的。
责任编辑：scarlett
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