绝缘栅双极型晶体管兼有哪些优点

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，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功率半导体器件， 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。

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(即发射极E)。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-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(即集电极C)。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)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-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-层的空穴(少子)，对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

栅极结构IGBT的栅极结构是控制电流流动的关键部分。栅极位于绝缘层上方，与N-沟道直接相连。通过施加正或负的电压来控制栅极，可以调节N-沟道的导电性。当栅极施加正电压时，电子被吸引至N-沟道，增加导电性;反之，当施加负电压时，电子被排斥，减少导电性。这种控制能力使得IGBT可以灵活地调节电流流动，实现精确的功率控制。同时，绝缘层的存在有效隔离了栅极与N-沟道，防止电流泄漏。栅极结构的设计影响着IGBT的性能和响应速度，对于功率开关应用具有重要意义。

绝缘层绝缘层位于栅极与N-沟道之间，起到隔离和保护的作用。通常采用氧化硅等材料构成，具有高绝缘性能，可有效防止栅极与N-沟道之间的电流泄漏。绝缘层的厚度和质量直接影响着IGBT的性能和稳定性。厚度越大，绝缘效果越好，但也会增加器件的电压降和响应时间。因此，在设计过程中需要平衡绝缘层的厚度和性能需求。绝缘层的优化可以提高IGBT的耐压能力和抗干扰能力，从而提高器件的可靠性和稳定性，广泛应用于电力电子、驱动器和逆变器等领域。

IGBT模块有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移(半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因)，本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。如果撤掉加在GS两端的电压，这层导电的沟道就消失了，就不可以导电了，变成了绝缘体。若在IGB模块T的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极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MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

变频器由主回路、电源回路、IGBT驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析尤为重要。

三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IGBT逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度，另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。在电容器维护时，通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于额定值的80%，绝缘阻抗在5MΩ以下时，应考虑更换电解电容器。故障现象：变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。

洛阳变频器销售首先应区分是由于负载原因，还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障，可通过历史记录查询在跳闸时的电流，超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否有过载或突变，如电机堵转等。在负载惯性较大时，可适当延长加速时间，此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流，在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内，可判断是IGBT模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W，分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻，来判断IGBT模块是否损坏。如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。如果减速时IGBT模块过流或变频器对地短路跳闸，一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障;而加速时IGBT模块过流，则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障，发生这些故障的原因，多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。

控制回路影响变频器寿命的是电源部分，是平滑电容器和IGBT电路板中的缓冲电容器，其原理与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流，是基本不受主回路负载影响的定值，故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上，通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难，一般根据电容器环境温度以及使用时间，来推算是否接近其使用寿命。

电源电路板给控制回路、IGBT驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压，通过开关电源再分别整流而得到的。因此，某一路电源短路，除了本路的整流电路受损外，还可能影响其他部分的电源，如由于误操作而使控制电源与公共接地短接，致使电源电路板上开关电源部分损坏，风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。逻辑控制电路板是变频器的核心，它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大规模集成电路，具有很高的可靠性，本身出现故障的概率很小，但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合，导致变频器出现EEPROM故障，这只要对EEPROM重新复位就可以了。IGBT电路板包含驱动和缓冲电路，以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号，通过光耦合将电压驱动信号输入IGBT模块，因而在检测模快的同时，还应测量IGBT模块上的光耦。

控制回路中，电容器的寿命受温度和使用时间的影响。逻辑控制电路板虽然可靠，但需注意电源短路对其他电路的影响。冷却系统中，由于冷却风扇的寿命相对较短，建议在变频器连续运转的情况下，每2至3年更换一次风扇，以确保冷却系统的有效运行。

外部电磁干扰可能通过辐射或电源线侵入变频器内部，导致异常或损坏。为减少影响，可在变频器周围的继电器和接触器控制线圈上加装浪涌吸收器等装置，并尽量缩短控制回路的长度。检测IGBT模块时，需注意其外观的物理损伤，同时进行电气性能测试，以确保其正常工作状态。主回路汇集了多种元件，如三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IGBT逆变桥等。其中，电解电容的故障尤为常见。电解电容的寿命受到温度和脉动电流的双重影响。通过测量静电容量来判断其劣化程度至关重要。当静电容量低于额定值的80%，即需要考虑更换电解电容器。以此确保主回路的稳定运行。电流过大而跳闸的现象可能是负载问题，也可能是变频器本身的问题。在变频器故障时，需要检查负载与IGBT模块的问题，例如是否存在过载或者突变情况。