晶闸管和IGBT有什么区别

2024年1月18日发(作者：10万左右的轿车推荐)

晶闸管和IGBT有什么区别？

功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间里，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。因此，针对SCR的不足，人们又研制开发出了门极关断晶闸管（GTO）。用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，仍较复杂，工作频率也不够高。几乎与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展了起来。

绝缘栅双极晶体管IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。其主体部分与晶体管相同，也有集电极和发射极，但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号 UGE，输人阻抗很高，栅极电流I G≈0，故驱动功率很小。而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流，工作频率可达20kHz。由IGBT作为逆变器件的变频器载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。

虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍待提高和改善，而1996年出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）有迅速取代 GTO的趋势。

集成门极换流晶闸管（IGCT）是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5～3MVA，三电平逆变器1～6MVA；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4. 5MVA，三电平扩至9MVA。目前IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为 4.5kV／4kA，最高研制水平为6kV/4kA[1]。1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88mm的6kV/4kA的GCT晶闸管。

随着电力电子器件的发展。特别是VDMOS管(垂直沟道MOS管，也可称功率场效应管)和IGBT(隔离栅双极晶体管)的发展和成熟，使得采用开关式发生器成为可能，实际上开关型发生器的发展是开关电源的成果之一，下面着重讨论晶体管开关型发生器．

开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比(或导道与截止时间)采控制输出的功率。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，因此这种开关型发生器的特点是：

(1)功耗低，效率高：开关管在开关瞬时的功耗较大，但时间很短，在截止或导道时的功耗很小．时间较长，因此总的功耗较小，而且基本恒定．最高效率可以达到90％以上．

{2)体积小．重量轻：由于效率高，功耗低．使得散热要求较低，而且各个开关管可以推动的功率较大，加上直流电源直接变换使用，不需电源变压器降压，因此它的体积较小，重量轻，单位功率所占的体积和重量值较小．

(3)可靠性好．与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时的温升较低，工作就可靠，加上全数字(开关)输出，可用微处理器直接控制．

3 4三种类型发生器主要性能特点(见表1)

4．开关型发生器发展的几个过程

开关型发生器的发展其实与开关型电源的发展息息相关，而开关型电源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连，电力电子开关器件的发展过程如下(见表2)：

表2 电力电子开关器件的发展过程

20世纪50年代 20世纪60年代 20世纪70年代 20世纪80年代 20世纪90年代

可控硅SCR（晶闸管） 快速晶闸管 可关断晶闸管 1高压GTR

2 IGCT

3 MCT(MOS晶闸管)

大功率，大容量，高性能，省吸收与IGBT结合，优势互补

电力晶体管GTR 1 IGBT绝缘栅晶体管

2 功率MOS 1 高速IGBT，WARP-SPEED

2 低电荷功率MOSFET

第一种型式是用双极开关晶体管(双极型开关晶体管)作为开关电源的开关管，它的主要缺点是由于双极开关管的上升、下降时延较大，开关频率不能太高(一般在20KHz以下)．线路成熟，价格低．在开关电源场合还有很多应用，但在超声波发生器中由于开关频率表2电力电子开关器件的发展过程低，没有太大的应用．

第二种型式是用VDMOS管(垂直沟道MOS管，或称功率MOS管)，VDMOS管也有几代的发展，其主要优点是：开关频率高(可达1MHz)，驱动简单(电压型驱动)，抗击穿性妤(没有雪崩效应)，缺点是耐高压的器件，导通电阻大．在高压大电流场合功耗较大，因此大功率(1 500W以上)有些困难，但随着VDMOS工艺不断改进 输出功率也越来越大。在超声波中可以用于100kHz以上的发生器．

第三种型式是IGBT(隔离栅双极管)，是一种MOS与双极管结合的产物，既有MOS管开关频率高，驱动简单等优点，也有双极管导通压降小，耐压高等优点．它的开关频率日前可以在40—50KHz，功率可以达到5000w，在一般超声波发生器中可以很少的运用，它的价格较高，保护线路要求复杂。

它们之间的比较可用表3来说明。

表三 三种形式电力电子开关器件的比较

项目类型 双极开关管 VDMOS IGBT

线路方式 简单 已成熟,一般 复杂

频率 低（20KHz） 高（100KHz）以上 中（20-50KHz）

耐压 高 低 高

驱动方式 电流型（复杂） 电压型（简单） 电压型（简单）

在发生器中应用 不用 在小功率（1500W以下）或高频率（100KHz以上）应用 大功率（1500W以上），和一般频率（40KHz）以下应用

造价 低 中 高

电力电子器件经历了工频，低频，中频到高频的发展历程，与此相对应， 电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器．再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率，更低损耗和全数字化的方向发展．

模拟控制电路存在控制精度低，动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重，容易老化等缺点．专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在．此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题．

用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性．此外．还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。

由UPS的结构可以看到，无论什么结构形式，整流器都是UPS必不可少的组成部分。在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展，与之相适应的的就是产生了6脉冲整流技术，6脉冲整流器简单可靠，大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电。电池直接挂在直流母线上，当输入市电正常时，靠整流可控硅的调节对电池充电，同时为GTR或IGBT结构的桥式逆变器供电，逆变器将直流逆变为交流，最后经过输出变压器的升压及滤波，提供纯正的交流输出。从其结构中可以看出，可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式（可通过可控整流的导通角调整来适应输入电压变化，确保输入交流电压变化时整流输出直流电压的恒定），由于可控硅整流只能斩掉一部分输入电，所以其恒定输出电压的代价是将输出电压恒定在底于全波整流输出电压的某个数值上（图4）。

可控硅整流的最大缺点就是对电网的干扰问题，由于输入斩波产生的回溃污染。例如，

UPS的输入端AC/DC整流电路中采用的是六脉冲整流技术时，输入的功率因数只有0.66～0.8，与负载量成反比，形成的总谐波分量达30%左右，特别是中大功率UPS，大量的谐波电流会注入电网，造成电压畸变，电能质量下降，给电力系统发、供、用设备带来严重危害。

这样传统的UPS在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”。 谐波电流不仅污染电网，而首先受到污染的是系统本身。再者，由于它的输入功率因数低，输入无功功率大，要求系统配电容量和系统中其他设备的功率容量都要增大50%；这将使得电网的电压波形受到干扰，电网配线的载荷能力下降，严重时可能导致该线路供电系统的震荡或者其他设备工作异常。高次谐波还消耗大量无功功率，增大线路的的损耗，引起电子保护装置的误动作，使电机会产生附加

力矩和附加损耗，影响仪器、仪表的计量准确度，对计算机网络，通信系统产生电磁干扰现象等。

使用IGBT整流技术UPS保护是双向的，即保护负载，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除了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整流技技术，能实现让用户在UPS后端感到UPS提供是纯净的正弦波，让电网在前端感到UPS及所带的负载组是低谐波的近似阻性负载这样一个理想的目标。

目前，采用IGBT整流技术的UPS已有产品进入中国，同早期UPS逆变器的PWM技术逐渐替代方波技术时的情景很类似。采用IGBT整流技术的UPS也存在价格高，大功率元件生产困难，成品率低。该技术也有先在中小功率的UPS上实现，逐步向大功率过渡的特点。我们有理由相信，随着生产技术的发展，这种技术先进，环保节能的UPS会越来越普及，我们期待着这一天。

电网侧的功率因数取决于整流电路的工作方式。对于三相桥式整流器而言，如果整流元件在受正向电压时始终开通(如二极管)，那末它的功率因数接近于1。如果整流元件在受正向电压一段时间后开通 (如受移相控制的可控硅)，那末功率因数等于控制角(120°- 导电角)的余弦函数。当控制角为0°时，功率因数接近于1，此时整流器的输出电压最高。当控制角逐步增大时，功率因数随之减小，整流器的输出电压也逐步降低。

对于SCR全桥并联逆变器，由于可控硅不能自己关断，SCR全桥并联逆变器必须工作在电炉电流的相位超前于电炉电压的相位状态，它依靠反向施加在可控硅上的电炉电压(或着补偿电容器的电压)使其关断。这个超前的相位角(超前时间)取决于可控硅的关断时间(20 ~ 50μs)，加上一定的安全余量，一般是不可调的。也就是说，SCR全桥并联逆变器本身不能调节输出功率。所以，它必须由SCR桥式整流器供电，依靠改变SCR桥式整流器的控制角来调节整流器的输出电压，从而调节输出功率。因此，当SCR全桥并联逆变器工作在额定输出功率时，其电网侧功率因数接近于1，而当输出功率减小时，其电网侧功率因数也相应地降低。

IGBT半桥串联逆变器的情况有所不同。IGBT元件可以由门极电压控制其开通或关断，在任何情况下只要其门极没有电压，IGBT元件就被关断。因此，IGBT半桥串联逆变器的工作频率可以任意改变。由串联谐振电路的工作原理可知，当工作频率改变时，电炉电压和电流的相位角随之改变，也就改变了送往电炉的功率。

所以，IGBT半桥串联逆变器可以通过调节工作频率来调节输出功率。它可以由固定的电压源供电，通常采用二极管三相桥式整流器，其电网侧功率因数接近于1，并与输出功率无关。

固体电源对电网的谐波干扰取决于整流电路的型式。对三相桥式整流器而言，无论是可控硅整流或二极管整流，都会产生5次，7次，11次和更高次的谐波电流，他们的大小分别是基波电流的1/5，1/7和1/11，见图4。

图4 固体电源产生的高次谐波电流

2.3 变换效率

变换效率是固体电源中频输出功率与工频输入功率之比。固体电源内部的损耗越小，则变换效率越高。

对于SCR全桥并联逆变器，其损耗一般包括整流可控硅损耗，滤波电感器损耗，逆变可控硅损耗，补偿电容器损耗和连接铜排损耗。其中滤波电感器损耗占的比例较大，因为滤波电感器通常由铜管绕制，必须有一定的圈数，受体积限制，铜管也不能太粗。

对于IGBT半桥串联逆变器，其损耗一般包括整流二极管损耗，滤波电容器损耗，逆变IGBT损耗，补偿电容器损耗和连接铜排损耗。其中IGBT的损耗占的比例较大，因为IGBT的导通压降大于可控硅的导通压降，通过IGBT的电流又是全部电炉电流，并且IGBT的数量较多。此外，IGBT半桥串联逆变器的连接铜排损耗也比同容量的SCR全桥并联逆变器大。这是因为前者的连接铜排长度和截面积都大于后者。

比较二台中等功率(1000 kW)的固体电源可以发现，SCR全桥并联逆变器和IGBT半桥串联逆变器具有几乎相等的变换效率。事实上，现代设计良好的固体电源(无论可控硅或IGBT)其变换效率一般都可达到97%以上。但是随着功率的增大，SCR全桥并联逆变器的变换效率会略高于IGBT半桥串联逆变器。原因是大功率的SCR全桥并联逆变器需要较小的滤波电感量(滤波电感器的铜重减少，铁重增加)，而IGBT半桥串联逆变器的长的大电流铜排会产生更大的损耗。

2.4 负载适应范围

一台熔化电炉将炉料从室温加热到熔化状态时，其感应线圈的阻抗变化范围通常可达到1.7：1。为了使固体电源在熔化过程中始终送出额定功率，固体电源负载适应能力必须满足电炉阻抗变化的要求。

如前文所述，SCR全桥并联逆变器是依靠调节整流控制角(即改变整流器的输出直流电压)来调节输出功率的，这就意味着固体电源的负载适应能力完全由整流器的电流余量决定。电流余量越大，负载适应能力越强。举例来说，一台1000 kW的SCR全桥并联逆变器，由三相575 V供电，整流器输出的最高直流电压是750 V，如果将直流电流限定在1330 A，那末只有当负载的等效直流电阻为0.56 Ω时，固体电源刚好输出额定功率。等效直流电阻变大或变小时，整流器将限压或限流，从而使输出功率下降。如果将直流电流限定在1600 A，那末当负载的等效直流电阻在0.39 ~ 0.56 Ω范围内变化时，固体电源都能输出额定功率。这时固体电源的负载适应范围为1.43：1。但是，由于受电源变压器和整流可控硅容量的限制，电流余量不能无限增加，所以一般的SCR全桥并联逆变器不能在整个熔化过程中始终送出额定功率。通常当炉料是冷态的时候，由于负载阻抗较小，整流器工作在限流状态，输出功率会小于额定功率。

西安机电研究所生产的SCR全桥并联逆变器采用了先进的微控制器控制技术，其逆变控制部分采用了人工智能控制程序。该程序在需要时可以在小范围内改变逆变器的逆变角(在可控硅关断时间允许范围内)，因此使SCR全桥并联逆变器具有了小范围调节负

载等效直流电阻的能力，和整流器的电流余量相配合，使这种SCR全桥并联逆变固体电源具有接近恒功率输出的能力(不能完全达到)。

IGBT半桥串联逆变器具有良好的恒功率输出的能力，它可在整个熔化过程中始终输出额定功率。当电炉的负载阻抗变化时，它可以调节工作频率，从而使负载的等效直流电阻回到额定值。因为频率可以在很宽的范围内调节(阻抗匹配能力远大于电炉阻抗的变化范围)，从而在熔化过程中使负载的等效直流电阻一直固定在其额定值。因此，向IGBT半桥串联逆变器供电的整流器不需要有电流余量，这同时也减小了电源变压器的余量。

2.5 工作频率

相对于IGBT而言，可控硅属于慢速器件。要关断可控硅，必须使其承受一定时间的反向电压(如前文所述)。因此SCR全桥并联逆变器不适合工作在较高的频率上。通常使用快速可控硅的并联逆变器的工作频率一般不超过2500 Hz。因此SCR全桥并联逆变器不适合用作表面淬火电源。

IGBT是一种快速开关器件，其开通或关断时间通常小于2 μs。只要大电流铜排布局合理，关断过电压不超过其额定电压，IGBT半桥串联逆变器可以工作在很高的频率上。一般用于表面淬火的IGBT半桥串联逆变器的工作频率可以高达100 kHz。

2.6 器件的过流容量和过流保护

可控硅的过流容量比较大，一般在20 ms内允许有6倍于额定值的电流通过。

SCR全桥并联逆变器在直流通路上串联有滤波电感器。当可控硅直通短路时，这个电感器可以限制短路电流的增长速度。当过流保护动作使整流器被关闭后，滤波电感器限制峰值短路电流在允许的范围内，从而避免可控硅的损坏。同样以1000 kW的SCR全桥并联逆变器为例，其最高直流电压是750 V，额定工作电流是1330 A，滤波电感器的电感量是2 mH。当逆变可控硅短路时，直流电流的上升率由下式确定:

di/dt = Vdc /L (Vdc 是直流电压，L是电感量)

代入上面的数字可知直流电流的上升率是0.375 A/μs。

此时如果过流保护动作将整流可控硅的触发脉冲关闭，原来导通的二只整流可控硅最长将在6.6 mS后关断， 最大短路电流可由下式估算：

Imax = Idc + di/dt*t (Idc 是额定工作电流，t等于6.6 mS)

图5

计算得到最大短路电流是2475 A。事实上，在短路保护期间，直流电压并非保持750 V不变，而是按正弦函数逐步上升然后再下降到零，实际最大短路电流将比上式计算的还要小，见图5。无论如何，这个最大短路电流远小于可控硅的允许短路电流。而且，在整流器的进线处一般都装有快速保险丝，如果过流保护电路不动作，10 ~ 20 mS

后快速保险丝会烧断。因此，当SCR全桥并联逆变器出现可控硅直通短路故障时一般不会损坏可控硅元件。

IGBT的过流容量比较小。当IGBT直通短路时，其最大短路电流仅由IGBT门极电压决定，一般是其额定电流的6 ~ 10倍，IGBT承受短路电流的时间不能超过10 μs，否则会造成IGBT损坏。所以，与可控硅相比，IGBT是一种比较脆弱的器件。

IGBT半桥串联逆变器采用电容器作直流滤波，电容器和IGBT直接用铜排相联。当IGBT直通短路时，电流上升的速度非常快，一般在1 ~ 2 μs内电流就可上升到IGBT额定电流的6 ~ 10倍。过流保护电路必须在10 μs内关闭IGBT，否则就会造成IGBT损坏。所以在IGBT半桥串联逆变器中对过流检测和保护电路的要求非常高，这些电路必须快速动作，响应速度应控制在数微秒内。IGBT直通短路时，大电流快速通过直流母排时会产生很大的电磁干扰，保护电路还应有足够的抗干扰能力以保证动作正常。众所周知，在10 μs内快速保险丝是不可能被烧断的。

2.7 双向供电

SCR全桥并联逆变固体电源是通过调节整流器的直流电压来调节输出功率，所以一台整流器只能带一台逆变器工作。也就是说，一台SCR全桥并联逆变固体电源同一时刻只能向一台电炉供电。

IGBT半桥串联逆变固体电源是通过调节逆变器的工作频率来调节输出功率，整流器输出的直流电压是固定的。因此一台整流器可以同时带多个逆变器工作。在双向供电情况下，一台整流器同时向二台逆变器供电，可使二台电炉同时工作。

2.8 价格

相同功率的IGBT半桥串联逆变固体电源的价格通常比SCR全桥并联逆变固体电源的价格高20 ~ 30 %，当功率变大时价格差距将更加明显。价格的差异主要取决于二方面。一是IGBT半桥串联逆变固体电源采用电容器滤波，这些电容器的价格通常高于同功率的SCR全桥并联逆变固体电源使用的滤波电感器的价格。二是IGBT器件的价格约为相同规格的快速可控硅价格的一倍。此外，在半桥串联逆变器中IGBT要承受全部电炉电流。因此，同功率情况下IGBT的数量要明显多于可控硅。按现在国际市场行情，大电流IGBT器件的价格要明显高于二个一半电流IGBT器件价格之和，所以大功率的IGBT半桥串联逆变固体电源的价格与SCR全桥并联逆变固体电源相比差距会更大。

综上所述，将上述二种固体电源的主要性能比较总结于表1。

3. 电炉的性能比较

3.1 电效率

按照感应电炉的设计计算公式，感应器—炉料系统的电效率可由下式计算。

η=ρ2 · R2/R0

其中 η -- 电效率

ρ -- 感应器—炉料系统的偶合系数

R2 -- 炉料的电阻

R0 -- 感应器—炉料系统的单匝折合电阻

从上式可见，感应电炉的电效率仅取决与感应器—炉料系统自身，与固体电源的输出电压或逆变型式无关。设计良好的感应电炉的电效率通常可以达到75 %以上。

表1 二种固体电源的主要性能比较

比较项目SCR全桥并联逆变固体电源IGBT半桥串联逆变固体电源

产品规格160 ~ 3000 kW50 ~ 1800 kW

电网侧功率因数额定功率时接近于1

功率减小时功率因数降低始终接近于1

谐波干扰相同相同

变换效率中功率时相同

大功率时略低中功率时相同

大功率时略高

负载适应范围一般宽广

恒功率能力冷料启动后功率较低;改进逆变控制后可接近恒功率运行，但控制技术复杂整个熔化过程中始终恒功率运行，控制简单

工作频率范围高至2500 Hz

主要用于感应熔化最高可达100 kHz

适用于感应熔化，保温，透热和淬火

工作稳定性高。中频电流自成回路，触发可控硅必须有一定的电流，抗干扰能力强较高。中频电流必须通过IGBT构成回路，IGBT是电压控制器件，有干扰电压就可能误触发IGBT

器件过流容量和过流保护过流容量大，保护电路简单过流容量小，保护电路复杂，技术要求高

配置电源变压器的余量要求较大。1000 kW的固体电源一般需要配1250 kVA的变压器小，1000 kW的固体电源只需要配1100 kVA的变压器

双向供电不能可以

设备价格低通常高20 ~ 30%

备件价格低高

3.2 感应线圈的绝缘性能

SCR全桥并联逆变固体电源的额定输出电压一般控制在2000 V以内，所以它对感应线圈的表层绝缘没有特殊的要求。而IGBT半桥串联逆变固体电源为了减小通过IGBT的电流，一般将额定输出电压定的较高，通常在3000 V等级。这个电压等级要求感应线圈具有比较高的绝缘性能。这对制造厂通常不是问题，但在使用中如果感应线圈表面的绝缘破损，会增加用户维修的复杂程度。

4. 配套选用原则

综上所述，IGBT中频感应电炉的优点是恒功率输出，熔化速度快，能耗低，并且功率因数始终接近于1。可控硅中频感应电炉的优点是在能耗略高的基础上，设备造价低，工作稳定可靠，并且零配件的价格较低。用户在选型时应根据具体需要决定。

4.1 配套于感应熔化电炉

当电炉的功率在1500 kW以下时，如果需要高性能，能耗低，可以选择IGBT中频感应电炉。如果要求低价格，则可选择SCR全桥中频感应电炉。当电炉的功率在1500 kW以上时，通常应该选择SCR全桥中频感应电炉，它具有更高的稳定性和可靠性。对于熔化电炉而言，因为电炉经常工作在满功率状态，所以功率因数已不是主要问题。

如果需要双向供电，功率共享型电炉，则只能选择IGBT中频感应电炉，只有二个串联逆变器才可以共用一个整流器，实现功率共享。

4.2 配套于感应保温电炉

保温电炉的特点是炉内的存料量经常发生变化，时多时少。这就要求经常调节保温功率。在这种情况下应选择IGBT中频感应电炉，它的电网侧功率因数始终接近于1，而与输出功率无关。这样长期连续工作时可以减少供电线路和电源变压器的损耗。

4.3 配套于透热炉或表面淬火感应电炉

这二种电炉都应选择IGBT串联逆变固体电源。透热炉需要频繁启动，并且还需要恒定输出功率以保证工件的温度。小直径的透热炉和表面淬火电炉除了需要频繁启动外，更需要高的工作频率，这些要求只能由IGBT完成。

各种电炉与二种固体电源配套原则总结见下表2。

表2 二种固体电源适用范围

电炉类型固体电源类型优点

中小功率熔化炉IGBT串联逆变固体电源高性能

SCR全桥并联逆变固体电源低价格

大功率熔化炉SCR全桥并联逆变固体电源高可靠性

DX型双向供电电炉IGBT串联逆变固体电源无其他选择

保温电炉IGBT串联逆变固体电源高功率因数

透热炉IGBT串联逆变固体电源温度稳定

表面淬火炉IGBT串联逆变固体电源无其他选择

可控硅是硅可控整流元件的简称，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。

二、可控硅的用途

可控硅被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。

三、可控硅的优点

可控硅具有耐压高、容量大、效率高、可控制等优点。

四、可控硅的分类

按其工作特性，可控硅（THYRISTOR)可分为普通可控硅（SCR）即单向可控硅、双向可控硅（TRIAC)和其它特殊可控硅。

五、主要参数

可控硅的主要参数:

1 额定通态电流（IT)即最大稳定工作电流，俗称电流。常用可控硅的IT一般为一安到几十安。

2 反向重复峰值电压（VRRM)或断态重复峰值电压（VDRM），俗称耐压。常用可控硅的VRRM/VDRM一般为几百伏到一千伏。

3 控制极触发电流（IGT)，俗称触发电流。常用可控硅的IGT一般为几十微安到几十毫安。

六、封装形式

常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。

七、主要厂家

主要厂家：ST、PHILIPS 、MOTOROLA、NEC、MITSUBISHI、TOSHIBA、TECCOR、SANKEN 等。

§1.整流元件（晶闸管）

简单地说：整流器是把单相或三相正弦交流电流通过整流元件变成平稳的可调的单方向的直流电流。其实现条件主要是依靠整流管,晶闸管等元件通过整流来实现.除此之外整流器件还有很多,如:可关断晶闸管GTO,逆导晶闸管，双向晶闸管，整流模块,功率模块IGBT,SIT,MOSFET等等,这里只探讨晶闸管.

晶闸管又名可控硅,通常人们都叫可控硅.是一种功率半导体器件,由于它效率高,控制特性好,寿命长,体积小等优点,自上个世纪六十长代以来,获得了迅猛发展,并已形成了一门独立的学科.“晶闸管交流技术”。 晶闸管发展到今天，在工艺上已经非常成熟，品质更好，成品率大幅提高，并向高压大电流发展。目前国内晶闸管最大额定电流可达5000A，国外更大。我国的韶山电力机车上装载的都是我国自行研制的大功率晶闸管。

晶闸管的应用：

一、可控整流

如同二极管整流一样，可以把交流整流为直流，并且在交流电压不变的情况下，方便地控制直流输出电压的大小即可控整流，实现交流——可变直流

二、交流调压与调功

利用晶闸管的开关特性代替老式的接触调压器、感应调压器和饱和电抗器调压。为了消除晶闸管交流调压产生的高次谐波，出现了一种过零触发，实现负载交流功率的无级调节即晶闸管调功器。交流——可变交流。

三、逆变与变频

直流输电：将三相高压交流整流为高压直流，由高压直流远距离输送以减少损耗，增加电力网的稳定，然后由逆变器将直流高压逆变为50HZ三相交流。直流——

交流

中频加热和交流电动机的变频调速、串激调速等变频，交流——频率可变交流

四、斩波调压（脉冲调压）

斩波调压是直流——可变直流之间的变换，用在城市电车、电气机车、电瓶搬运车、铲车（叉车）、电气汽车等，高频电源用于电火花加工。

五、无触点功率静态开关（固态开关）

作为功率开关元件，代替接触器、继电器用于开关频率很高的场合

晶闸管导通条件:

晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当正向门极电压，使晶闸管导通过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作用，通常在门极上只要加上一个正向脉冲电压即可，称为触发电压。门极在一定条件下可以触发晶闸管导通，但无法使其关断。要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电压，或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流减小至维持电流（IH）（当门极断开时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持晶闸管导通所需的最小阳极电流叫维持电流），电流会突然降到零，之后再提高电压或减小负载电阻，电流不会再增大，说明晶闸管已恢复阻断。

根据晶闸管阳极伏安特性，可以总结出：

1．门极断开时，晶闸管的正向漏电流比一般硅二极管反向漏电流大，且随着管子正向阳极电压升高而增大。当阳极电压升到足够大时，会使晶闸管导通，称为正向转折或“硬开通”。多次硬开通会损坏管子。

2．晶闸管加上正向阳极电压后，还必须加上触发电压，并产生足够的触发电流，才能使晶闸管从阻断转为导通。触发电流不够时，管子不会导通，但此时正向漏电流随着增大而显著增大。晶闸管只能稳定工作在关断和导通两个状态，没有中间状态，具有双稳开关特性。是一种理想的无触点功率开关元件。

3．晶闸管一旦触发导通，门极完全失去控制作用。要关断晶闸管，必须使阳极电流<维持电流，对于电阻负载，只要使管子阳极电压降为零即可。为了保证晶闸管可靠迅速关断，通常在管子阳极电压互降为零后，加上一定时间的反向电压。

晶闸管主要特性参数

1．正反向重复峰值电压——额定电压（VDRM 、 VRRM取其小者）

2．额定通态平均电流IT（AV）——额定电流（正弦半波平均值）

3．门极触发电流IGT，门极触发电压UGT， （受温度变化）

4．通态平均电压UT（AV）即管压降

5．维持电流IH与掣住电流IL

6．开通与关断时间

晶闸管合格证基本参数

IT（AV）= A（TC=℃）------通态平均电流

VTM= V -----------通态峰值电压

VDRM = V -------------断态正向重复峰值电压

IDRM= mA -------------断态重复峰值电流

VRRM= V -------------反向重复峰值电压

IRRM = mA ------------反向重复峰值电流

IGT = mA ------------门极触发电流

VGT= V ------------门极触发电压

执行标准：QB-02-09

晶闸管的选择：

晶闸管的过载能力差，根据实际最大电流还要乘以1.5~3倍，即电流裕量。通常按平均电流IT（AV）选取，额定电流的有效值ITe（即均方根值）为平均电流的1.57倍。

波形系数Kf=Ite/IT（AV）=1.57

额定电压应取实际工作时的可能最大电压2~3倍，即电压裕量。

同时还要加上必要的保护措施。

门极触发电流：几十个mA~几百mA，离开这个范围可能误触发或难触发

门极触发电压：3V左右

台面有凹台和凸台之分，散热器与此有关

§2.主电路型式及多相整流

一．单相

1． 单相半波可控整流电路

2． 单相全波可控整流电路（双半波）

3． 单相半控桥式可控整流电路

4． 单相桥式可控整流电路

二．三相

1． 三相半波可控整流电路

2． 三相桥式全控整流电路

3． 三相桥式半控整流电路

4． 三相全控桥式同相逆并联整流电路

5． 双反星形带平衡电抗器可控整流电路

6． 双反星形带平衡电抗器全电路同相逆并联可控整流Δ/Y┻Y+ Y┻Y

三．多相整流

多相整流可以大幅降低高次谐波电流，减少对电网的污染。

不论是三相桥式还是双反星形电路都可以组成多相整流。如12、24、36、48脉波，即在一个交流周波中直流脉动次数。一般来说，24脉波以上变压器结构相对较复杂，整变阀侧出线铜排较多，这样带来了一些其它困难。大容量机组可以用多台整流机组，通过移相相位差及并联运行来实现多相整流。

§3.保护

可控硅本身在选择时就已准备了很大的电流电压裕量。为了使整流器可靠的工作，还必须加上各种保护。过流，限流，过压，快熔断，元件损坏，水压异常，水温高，缺相，欠支路，桥臂过热，防雷击，控制电路过流过压失控等；整变轻重瓦斯，油温异常。

1．晶闸管关断过电压（换流过电压、空穴积蓄效应过电压）及保护

晶闸管从导通到阻断，线路电感（主要是变压器漏感LB）释放能量产生过电压。由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，在关断过程中，管子在反向作用下，正向电流下降到零时，元件内部残存着载流子。这些载流子在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流，使残存的载流子迅速消失，这时反向电流减小即diG/dt极大，产生的感应电势很大，这个电势与电源串联，反向加在已恢复阻断的元件上，可导致晶闸管反向击穿。这就是关断过电压（换相过电压）。数值可达工作电压的5~6倍。保护措施：在晶闸管两端并接阻容吸收电路。

2．交流侧过电压及其保护

由于交流侧电路在接通或断开时出现暂态过程，会产生操作过电压。高压合闸的瞬间，由于初次级之间存在分布电容，初级高压经电容耦合到次级，出现瞬时过电压。措施：在三相变压器次级星形中点与地之间并联适当电容，就可以显著减小这种过电压。与整流器并联的其它负载切断时，因电源回路电感产生感应电势的过电压。变压器空载且电源电压过零时，初级拉闸，因变压器激磁电流的突变，在次级感生出很高的瞬时电压，这种电压尖峰值可达工作电压的6倍以上。交流电网遭雷击或电网侵入干扰过电压，即偶发性浪涌电压，都必须加阻容吸收路进行保护。

3．直流侧过电压及保护

当负载断开时或快熔断时，储存在变压器中的磁场能量会产生过电压，显然在交流侧阻容吸收保护电路可以抑制这种过电压，但由于变压器过载时储存的能量比空载时要大，还不能完全消除。措施：能常采用压敏吸收进行保护。

4．过电流保护

一般加快速熔断器进行保护，实际上它不能保护可控硅，而是保护变压器线圈。

5．电压、电流上升率的限制

§4.均流与晶闸管选择

均流不好，很容易烧坏元件。为了解决均流问题，过去加均流电抗器，噪声很大，效果也不好，一只一只进行对比，拧螺丝松紧，很盲目，效果差，噪音大，耗能。我们采用的办法是：用计算机程序软件进行动态参数筛选匹配、编号，装配时按其号码顺序装配，很间单。每一只元件上都刻有字，以便下更换时参考。这样能使均流系数可达到0.85以上。为了减少并联，选用大元件。这样可以进一步提高均流度，并减小损耗，因为每一只元件都存在一个 压降， 这也是整流器的主要损耗。

§5.触发控制电路

目前，可控硅触发电路有很多：模拟IC集成触发电路，其中有国产IC KJ004（KJ009）； 进口IC有TCA785 ，787电路；数字触发（一种逻辑芯片）模拟控制，可同步锁相；单片机触发控制电路也越来越广泛应用，都可PI调节。都能满足可控硅的触发要求。

什么是 IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，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电力电子器件, 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。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。

图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。N+ 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（少子），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 的工作特性包括静态和动态两类：

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。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示

Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。

通态电流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流过MOSFET 的电流。

由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

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。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT

的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1ｕm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

IGBT的发展历史

1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。

80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。[2]在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。

90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。[4]在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。

硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。

这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。

1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。

IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的

PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。

现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

根据前面描述的IGBT的工作原理，可以得到如图所示的IGBT输出特性。

（a）IGBT的输出特性（n沟道增强型） （b）转移特性IC=f(VCE)

IGBT的输出特性与转移特性

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。IGBT基本结构见图1中的纵剖面图及等效电路。

导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+

区之间创建了一个J1结。

当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET

电流)； 空穴电流(双极)。

关断

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，尾流特性与VCE、 IC和 TC之间的关系如图2所示。

反向阻断

当集电极被施加一个反向电压时， J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。

第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。

正向阻断

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

闩锁

IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，如图1所示。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：

当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。

只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区 。

为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：

防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。

降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。

此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。

正向导通特性

在通态中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET驱动的PNP晶体管建模。图3所示是理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件(寄生元件不考虑在内)。

如图所示，IC是VCE的一个函数(静态特性)，假如阴极和阳极之间的压降不超过0.7V，即使栅信号让MOSFET沟道形成(如图所示)，集电极电流IC也无法流通。当沟道上的电压大于VGE -Vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于IGBT结构中含有一个双极MOSFET和一个功率MOSFET，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率MOSFET的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。本图描述了VCE(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某一电流率的VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候，用一个NPT进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的PT器件相比，使用NPT会造成压降增加。

动态特性

动态特性是指IGBT在开关期间的特性。鉴于IGBT的等效电路，要控制这个器件，必须驱动MOSFET 元件。

这就是说，IGBT的驱动系统实际上应与MOSFET的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。如前文所述，当通过栅极提供栅正偏压时，在MOSFET部分形成一个N沟道。如果这一电子流产生的电压处于0.7V范围内， P+ / N- 则处于正向偏压控制，少数载流子注入N区，形成一个空穴双极流。导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函数。通过改变栅电阻Rg (图4)值来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，输出寄生电容Cge和 Cgc可实现不同的电荷速率。

换句话说，通过改变 Rg值，可以改变与Rg (Cge+C**) 值相等的寄生净值的时间常量(如图4所示)，然后，改变*V/dti。数据表中常用的驱动电压是15V。一个电感负载的开关波形见图5，di/dt是Rg的一个函数，如图6所示，栅电阻对IGBT的导通速率的影响是很明显的。

因为Rg数值变化也会影响dv/dt斜率，因此，Rg值对功耗的影响很大 。

在关断时，再次出现了我们曾在具有功率MOSFET和 BJT 器件双重特性的等效模型中讨论过的特性。当发送到栅极的信号降低到密勒效应初始值时，VCE开始升高。如前文所述，根据驱动器的情况，VCE达到最大电平而且受到Cge和 Cgc的密勒效应影响后，电流不会立即归零，相反会出现一个典型的尾状，其长度取决于少数载流子的寿命。

在IGBT处于正偏压期间，这些电荷被注入到N区，这是IGBT与MOSFET开关对比最不利特性之主要原因。降低这种有害现象有多种方式。例如，可以降低导通期间从P+基片注入的空穴数量的百分比，同时，通过提高掺杂质水平和缓冲层厚度，来提高重组速度。由于VCE(sat) 增高和潜在的闩锁问题，这种排除空穴的做法会降低电流的处理能力。

安全运行区SOA

按电流和电压划分，一个IGBT的安全运行区可以分为三个主要区域，如下表所示：

这三个区域在图8中很容易识别 。

通常每一张数据表都提供了正向导通(正向偏置安全运行区FBSOA)、反向(反向偏置安全运行区RBSOA)和短路(短路安全运行SCSOA)时描述强度的曲线。

详细内容：

FBSOA

这部分安全运行区是指电子和空穴电流在导通瞬态时流过的区域。在IC处于饱和状态时，IGBT所能承受的最大电压是器件的物理极限，如图8所示。

RBSOA

这个区域表示栅偏压为零或负值但因空穴电流没有消失而IC依然存在时的关断瞬态。如前文所述，如果电流增加过多，寄生晶体管会引发闩锁现象。当闩锁发生时，栅极将无法控制这个器件。最新版的IGBT没有这种类型的特性，因为设计人员改进了IGBT的结构及工艺，寄生SCR的触发电流较正常工作承受的触发电流(典型Ilatch>5 IC 正常)高出很多。关于闭锁电流分别作为结温和栅电阻的一个函数的变化情况，见图9和10。

SCSOA

SCSOA是在电源电压条件下接通器件后所测得的驱动电路控制被测试器件的时间最大值。图11所示是三个具有等效特性但采用不同技术制造的器件的波形及关断时间 。

最大工作频率

开关频率是用户选择适合的IGBT时需考虑的一个重要的参数，所有的硅片制造商都为不同的开关频率专门制造了不同的产品。

特别是在电流流通并主要与VCE(sat)相关时，把导通损耗定义成功率损耗是可行的。

这三者之间的表达式：Pcond = VCE IC ，其中， 是负载系数。

开关损耗与IGBT的换向有关系；但是，主要与工作时的总能量消耗Ets相关，并与终端设备的频率的关系更加紧密。

Psw = Ets

总损耗是两部分损耗之和：

Ptot = Pcond + Psw

在这一点上，总功耗显然与Ets 和 VCE(sat)两个主要参数有内在的联系。

这些变量之间适度的平衡关系，与IGBT技术密切相关，并为客户最大限度降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。

因此，为最大限度地降低功耗，根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的电平特性，用户应选择不同的器件。

IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor） 为 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 －

双 极 型 晶 体 管 的 英 文 缩 写. 智能功率器件可分成两大类，即智能功率集成电路与智能功率模块。 而IGBT属于智能功率模块.而他的工作频率可远高于普通功率管模块 .

智能功率模块是采用微电子技术和先进的制造工艺，把智能功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体，能实现智能功率控制的商品化部件。模块大多采用密封式结构，以保证良好的电气绝缘和抗震性能。用户只须了解模块的外特性，即可使用。因此，它能简化设计工作，缩短系统的研制周期。国内外许多著名的模块厂商的产品都通过了IEC950（国际电工委员会）或UL1950（美国）、GS（德国）、CE（欧共体）安全认证，其质量可靠、安全性好、抗骚扰性强、符合电磁兼容性（EMC）标准、便于维修，上机合格率可达100％。

最近，国内也相继开发出变频空调器专用智能功率模块、电动机智能功率模块等新产品。

变频技术的发展始终与电力电子元器件的发展密不可分，从大功率二极管到可控硅器件，再从IGBT到IGCT，每一次元器件的飞跃都会带动变频器技术的发展。由于IGBT模块的驱动是电压控制，有更好的互换性，只要耐压、电流参数一样，不同型号的IGBT模块很多是可互换！有的安装尺寸不同的还可另钻孔！IGBT模块还可以用指针式万用表10K档检测其是否能动作，用指针（黑?红）去

触发模块的G?E，可使模块C?E导通，当G?E短接时则C?E关闭！ 这方法是最简单最基本的测量方法，是维修新手可以做到的，专业的可不是这样测量