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第 1 卷 第 2 期 智 能 电 网 Vol. 1 No. 2 2013 年 12 月 Smart Grid Dec. 2013 文章编号：2095-5944 (2013) 02-0011-06 中图分类号：TN 32 文献标志码：A IGBT 器件的发展现状以及在智能电网中的应用 金锐 1, 于坤山1, 张朋1, 刘先正1, 何维国2, 刘隽2 (1. 国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所，北京市 昌平区 102209； 2. 上海市电力公司，上海市 黄浦区 200023) Development of IGBT Devices and the Typical Application in the Smart Grid JIN Rui1, YU Kunshan1, ZHANG Peng1, LIU Xianzheng1, HE Weiguo2, LIU Jun2 (1. Department of New Electrical Materials 2. Shanghai Municipal Electric Power Company, Huangpu District, Shanghai 200023, China) ABSTRACT: The application of insulated-gate bipolar transistor (IGBT), as the representative of the turn-off semiconductor power devices, promotes the innovation of the power electronic technology once again. This paper first introduces the importance of the application of IGBT in the smart grid, and then reviews the development level of the chip and package technology in IGBT devices at home and abroad for the recent twenty years. It focuses on the analysis of the selection criteria of IGBT and typical applications in power grid, and finally analyzes the profound influence of IGBT devices brought in these application fields. KEY WORDS: insulated-gate bipolar transistor (IGBT); power semiconductor; power electronics 摘要：以绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)为代表的可关断半导体功率器件的成熟应用，推动了电 力电子技术的又一次革新。首先介绍 IGBT 在智能电网中应用的重要性，对 20 多年来 IGBT 器件在芯片和封装等技术在国 内外的发展水平进行回顾。重点分析 IGBT 的选型特点和在电网中的典型应用，最后分析在这些应用中使用 IGBT 器件所带 来的深远影响。 关键词：绝缘栅双极型晶体管；功率半导体；电力电子 0 引言 在发达国家大约 70%的电能都要经过功率半 导体器件的处理。功率半导体器件是实现电能的传 输、转换及其过程控制的核心部件，它使电能的使 用更高效、更节能、更环保，将“粗电”变为“精 电” ，因此它是节能减排的基础技术和核心技术。 近年来，新一代全控型功率半导体器件，如绝缘栅 双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor， IGBT) 等已得到越来越广泛的应用，将电力电子技术又带 入了一个崭新时代。 目前，IGBT 的耐受电压已达到 6.5 kV，而且 IGBT 的通态压降也由于发射极电子注入效应技术 的应用而得到大幅降低。在智能电网建设的大背景 下，IGBT 作为新型电力电子器件的典型代表，在 基 金 项 目 ： 国 家 电 网 公 司 科 技 项 目 (SGRI-WD-91-12-001 ， SGRI-WD-71-13-006，SGRI-WD-71-13-007)。 Project Supported by the State Grid Corporation of China (SGRI-WD-91-12-001, SGRI-WD-71-13-006, SGRI-WD-71-13-007). 智能电网的相关设备中起着至关重要的作用。但 是，核心电力电子器件的可获得性差、采购困难等 大大限制了我国智能电网所需的电力电子技术的 进一步发展。 1 IGBT 器件的研究现状 国外大公司在 10 多年前已能制备成熟的焊接 式 IGBT 模块，其中包含多个 IGBT 和反并联的快 恢复二极管(fast-recovery-diode，FRD)，并依靠在 IGBT 和 FRD 芯片以及封装技术等领域的优势，进 一步研制出适于电力系统应用的压接式 IGBT 模 块，而国内无论在高压 IGBT 芯片还是模块封装领 域等都起步较晚。目前市面上供应的电压等级主要 有 600、1 200、1 700、 2 500、 3 300、 4 500 及 6 500 V IGBT 模块。同时，为了方便应用，在电路形式上 还有 1 单元、 2 单元(半桥)、 4 单元(H 桥)、 6 单元(三 相全桥)、斩波，以及带有内置闸极驱动器、控制及 保护功能，且额定功率高达数百 kW 的 IGBT 智能 功率模块(intelligent power modules，IPM)等1。 DOI:10.14171/j.2095-5944.sg.2013.02.002 12 金锐等：IGBT 器件的发展现状以及在智能电网中的应用 Vol. 1 No. 2 1）IGBT 芯片方面。 如图 1 所示，硅 IGBT 结构为正面金属氧化物 半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)加上背面 PNP 二极 管的复合结构； 正面 MOSFET 结构具有栅极控制功 能，从而使得器件本身具有电压控制器件开启关断 特性， 相对传统电力电子器件(如晶闸管和门极可关 断晶闸管(gate-turn-off thyristor，GTO)可以达到灵 活开关特性， 而背面 PNP 结构具有反偏耐受高电压 和通态可流通大电流的能力，所以硅 IGBT 具有栅 极控制器件开关、 反偏耐高压、 通态电流大的特点。 Ra c (金属化) p+集电区 IC n基区 J2 J3 p 阱 n+ J1 PNP PNPN MOSFET E(Al) G(多晶硅) Pin 二 极管区 Rb Rc RN RJFET n+ 图 1 NPT-IGBT 结构工作原理图 Fig. 1 Operation principle of NPT-IGBT structure 从 1982 年 GE 公司和 RCA 公司首先成功研制 IGBT 器件以来，经过 20 多年的发展，IGBT 器件 的制造技术随着表面栅结构、硅芯片的重直(纵向) 结构以及硅片的加工工艺的演变，已经发展到商品 化的第 5 代产品，6 500 V/600 A 的高压 IGBT 器件 已经实现商品化2。 IGBT 方面全球 IGBT 市场中最主要的供应厂 商包括三菱(Mitsubishi)、东芝(Toshiba)、英飞凌 (Infineon/Eupec)、富士电机(Fuji Electric)、飞兆 (Fairchild)、国际整流器(IR)等，其中 3 3006 500 V 等级 IGBT 主要由英飞凌、三菱、ABB 与东芝等少 数几家所垄断。 各厂商采用的主流技术如图 2 所示。 Infineon Toshiba IR Fuji STM Mitsubishi Fairchild 600 V NPT PT 1 200 V NPT Trench +PT Trench +F.S Trench +NPT Field stop 穿通 平面 非穿通 平面 非穿通 平面 穿通 沟槽 软穿通 平面 软穿通 沟槽 非穿通 沟槽 英飞凌 东芝 富士 三菱 意法 飞兆 国际整流器 图 2 各厂商主流技术 Fig. 2 Main technology of various producer 国内对 IGBT 的研究启动较晚， 基础相对薄弱， 在中低压范围，加工工艺比较成熟，代工居多，如 上海先进、无锡上华和上海华虹 NEC、山东科达和 北京燕东等，设计公司有吉林华微和深圳比亚迪 等；高压范围目前只有南车、北车及国网智能电网 研究院涉及，目前还在研究阶段，未能进行大规模 商品化生产。 2）FRD 芯片方面。 与IGBT配套的反并联FRD也是电路实现电能 变换不可或缺的重要元件，其电压电流容量和开关 速度应与配对的 IGBT 相当。FRD 和高频开关器件 协调工作，可以使开关器件换相所引起的过电压尖 峰、高频干扰电压以及传导性电磁干扰降至最低， 使开关器件的作用得到充分发挥3。与特大功率的 圆片形二极管不同， 这种超快速 FRD 采用精细的平 面工艺制作平面型结终端， 用热氧化层保护 p-n 结， 具有更好的表面钝化效果，漏电流低，可靠性高。 其技术发展与 IGBT 的发展几乎同步。 正面 p 区(阳 极)的制造和寿命控制方式则发展分化为 2 种技术 路线：轻度扩铂技术；高能轻粒子辐照的寿命 控制技术(局域控制或局域结合全局控制)。二者都 获得了很好的应用特性： 包括低正向压降、 快恢复、 软恢复、高坚固性(抗动态雪崩，抗动态钳位，抗正 向浪涌电流)和超载关断能力。 IGBT 模块中 FRD 芯片的电压、电流、功率容 量及坚固性指标都已达到甚至超过 IGBT 的水平。 FRD 芯片方面国产化的形势略好，4001 200 V 级 的国产产品开始小规模试制，如科达半导体、士兰 微电子、吉林华微、江苏宏微和无锡华润华晶等。 3）模块封装技术方面。 IGBT 封装处于整个 IGBT 大功率器件生产技 术链的末端。大功率的 IGBT 封装形式现分为模块 式及压接式 2 种。 模块式封装主要以 ABB、 西门康、 三菱和富士公司为主要的代表。 ABB 模块的设计思 想是尽可能的减小由电流引线而产生的寄生电感， 这样可有效提高 IGBT 模块的外部参数特征，对于 应用在大 di/dt 工况中显得尤为重要。 西门康主要致 力于中、低功率 IGBT 的开发，并提出了无引线、 低温烧结、弹簧压力接触端子和无基板、无钎焊模 块等多项先进封装技术。三菱和富士在 IGBT 模块 封装领域同其他日系公司一样，在精细加工工艺方 面都有其独到见解。 压接式 IGBT 模块封装技术掌握在 IXYS(美 第 1 卷 第 2 期 智 能 电 网 13 国)、ABB(瑞士)、东芝(日本)等少数设计兆瓦级大 功率装置的公司。IXYS 的全资英国子公司 WESTCODE 的 SPT+Press-pack IGBT 产品是 5.56 MW 功率级别风力发电机设计的基础。此款 模块采用完全密封压接式陶瓷封装，确保其在兆瓦 级大功率应用中的可靠性。而 ABB 公司则是世界 上唯一拥有柔性直流输电系统商业化运行实际工 程业绩的公司，在这些工程中使用了自己公司的 StakPakTM 压接 IGBT 产品。 随着国家的支持和微电子企业的积极参与，我 国已初步形成了 IGBT 模块的基本制造平台，其中 主要有无锡华润华晶、吉林华微、江苏宏微和比亚 迪微电子等，已建成 IGBT 模块封装线近 10 条，但 是主要针对中低压电压(2 000 V)等级。 目前， 中国 北方机车车辆工业集团公司已经建成可封装耐压 最高达 6 500 V 的高压 IGBT 模块封装线。 2 IGBT 的选型 2.1 额定电压的选择 IGBT 模块的额定电压与适用装置的输入电源 (即商用电源电压)有密切关系。选取时主要考虑交 流侧电压和直流侧电压，并留一定余量。英飞凌公 司所提供的 IGBT 模块选择建议如表 1 所示。 表 1 额定电压选择对比表 Tab. 1 Rated voltage selection comparison table 交流(AC)电压 直流(DC)母线电压 选择器件耐压 单相交流 230 V AC 350 V DC 600 V 三相交流 380460 V AC 600 V DC(最大可达 900 V DC) 1 200 V 750 V DC(最大可达 1 100 V) 1 700 V 1 300 V DC(最大 可达 1 800 V) 2 500 V 三相交流 575690 V AC 1 500 V DC(最大 2 100 V DC) 3 300 或 21 700 V 串联/三电平 2 500 V DC(最大 可达 3 000 V DC) 4.5 kV 三相 2.3 kV AC 3 300 V DC(最大 可达 4 500 V DC) 6.5 或 23.3 kV 串联/三电平 三相 4.16 kV AC 5.9 kV DC 6.5 kV 串联/三电平 三相 6.6 kV AC 9.4 kV DC 多电平 与 MOSFET 不同，IGBT 无雪崩额定值，因此 确保在最差条件下 IGBT 的电压低于击穿电压额定 值十分重要。在这种最差条件下，通常需要考虑以 下几点4：1）采用最大线路输入电压的最大总线电 压和最大总线过压；2）IGBT 采用最大开关速度 (di/dt)、最大杂散电感和最小总线电容关断时的最 大过冲电压；3）最低的工作温度(由于击穿电压具 备负温度系数)。 2.2 额定电流的选择 额定电流的选择通常先计算通过 IGBT 的电流 值，然后考虑电网波动和开关尖峰等因素，一般考 虑 1 倍的安全余量。但严格来说，IGBT 具有温度敏 感性，随着壳温的上升可利用的电流就会下降，因而 需要根据不同的应用情况计算耗散功率， 根据热阻核 算最高结温控制在 Tj150 (从安全角度而言通常 控制在 125 以下)，以此来选择器件。如果散热条 件很好(或很差)，则可考虑采用电流值更小(或更大) 的 IGBT 模块。作为大体标准，一般在装置的最大电 流值器件的额定电流的情况下使用。 2.3 频率的选择 IGBT 的损耗主要由通态损耗和开关损耗组 成，而 IGBT 器件工作的最高频率也是由其总耗 散功率、散热条件和结温来决定的。如果采用软 开关技术，可提高器件的最终输出频率。通常在15 kHz 时，开关损耗是主要的，这就需要选择短拖尾电流 型 IGBT。 2.4 短路安全工作区额定值 这种特性指器件能够在一定时间内(单位：s) 承受通过终端输入的最大总线电压，并能够安全关 断。在这种条件下，IGBT 将会达到其饱和电流(取 决于第几代器件和器件的电流额定值)， 并有效控制 系统的电流，同时耗散大量功率。对于大型工业驱 动应用而言，业界已针对这种应用确定了 10 s 的 标准额定值。在电源等应用中，IGBT 与输出终端 之间会装配一个电感器。在这种情况下，允许利用 电感器控制电流的上升速度(di/dt)，IGBT 本身不易 出现短路。 以上为电力电子装置设计时所需考虑的基本 因素，除此以外，通常还考虑器件的短路能力、模 块封装形式与模块电路形式、电气和热性能分析及 应用场合、应用级别、成本分析等。 3 智能电网中的典型应用 3.1 光伏逆变器 太阳能逆变器是一种功率电子电路，能把太阳 14 金锐等：IGBT 器件的发展现状以及在智能电网中的应用 Vol. 1 No. 2 能电池板的直流电压转换为交流电压来驱动家用 电器、照明及电机工具等交流负载。如图 3 所示， 光伏逆变器的典型架构一般采用 4 个开关的全桥 拓扑5。 太阳的 电池板 C2 Q2 Q1 Q3 Q4 IGBT IGBT IGBT IGBT C1 太阳能 电池板 低侧 IGBTs 高侧 IGBTs AC 输出 AC 输出 L1 L2 图 3 采用全桥拓扑的典型太阳能逆变器架构 Fig. 3 Architecture of typical solar inverter using full bridge topology 根据光伏逆变器功率的不同，对 IGBT 的电 压、电流以及封装形式的要求有所不同。一般而 言，1 5 kW 的单项逆变回路的 IGBT 选用 600 V 额定电压， 根据功率计算所需额定电流一般在 75 A 以下， 可选用分立 IGBT(即单管封装)或三相桥及 H 桥6。 10500 kW 的三项逆变器则一般选用 1 200 V 额定电压，根据功率计算所需额定电流一般在 602 400 A 不等，可以选用 1 单元和半桥等电路的 封装6。在图 3 中，Q1 和 Q3 被指定为高侧 IGBT， 而 Q2 和 Q4 则是低侧 IGBT。这种拓扑结构利用正 弦脉宽调制技术，在高于 20 kHz 情况下，为高侧 IGBT 进行转换， 因此器件的开关损耗成为耗散功 率的主要来源，应选择开关损耗小的 IGBT；而对 面支线的低侧 IGBT，取决于输出频率要求，在 50 Hz 进行转换，因此器件的静态损耗成为耗散功 率的主要来源，应选择低通态压降的 IGBT。 3.2 风能变流器 风能变流器是风力并网发电系统的重要组成 部分。发电机产生的幅值、频率均变化的交流电， 通过机侧变流器整流为直流电，经直流支撑电容稳 压后输送网侧变流器，控制系统通过脉宽调制矢量 控制技术将直流电转换为频率幅值稳定的交流电， 馈入电网。本文以双馈和直驱 2 种拓扑结构为例。 双馈风力发电变频器的拓扑如图 4 所示，双馈风力 发电变频器一般功率为 4002 000 kW， 一般采用四 象限 AC-DC-AC 变频器，网侧 690 V AC，直流母 排 1 100 V DC，IGBT 器件的开关频率为 24 kHz。 根据直流侧电压和冗余的考虑，一般选用 1 700 V IGBT。而全功率的变频器最高可达 56 MW。根据 其容量，直流母排 1 100 V DC 情况下，IGBT 选型 与上述情况一致。随着容量的增加，当直流母排 2 200 V DC，网侧 1 380 V AC 时，IGBT 器件的开 关频率为 24 kHz，一般选择 1 700 V 三电平 IGBT 模块。 在直流母排 3 675 和 6 650 V DC 情况下， IGBT 的开关频率在0.51 kHz， 电压分别选择3.3和6.5 kV。 综上可见， 在风力变频器中IGBT 的开关频率都较低， 应选择低饱和压降的 IGBT 器件。 叶片 风 驱动链 转子 定子 发电机 ACDC AC Ur Ugc 控制器 AC/DC/AC 变换器 桨距角 Three-phase 三相电网 L 图 4 双馈风力发电变频器的拓扑示意图 Fig. 4 Double feedback wind power inverter topology diagram 3.3 储能逆变器 智能电网中的储能环节能有效调控电力资源， 能很好地平衡昼夜及不同季节的用电差异，调剂余 缺，保障电网安全。储能逆变器为电网和电池充放 电的电压特性之间提供电气接口，在放电时将电池 产生的直流电压转换成交流电压，而在充电时，将 电网电压转换成直流电压。目前，国内已见报道的 大规模储能主要有 100 kW 容量等级。一般使用三 相全桥 IGBT 主功率电路。 3.4 柔性直流换流阀 与传统直流输电不同， 采用 IGBT 作为电力电 子器件的柔性直流输电(即电压源换流器高压直流 输电)可实现其交流侧输出电压与电流的精确控 制。 控制系统采用脉宽调制技术控制， 可根据交流 系统的需要自动调节电压、 频率、 有功和无功功率。 这种新型输电系统能够克服传统 HVDC 必须联结 于有源网络的根本缺陷， 可向无源网络供电， 设计 容量从几个到几百个 MW，整个电站按照模块化 设计， 占地面积仅约为同等容量传统直流输电电站 的 20%。 IGBT 器件以其开关速度快、驱动功率小、自 保护能力强、控制精确灵活等优良特性，成为柔性 直流输电系统电力电子器件的最佳选择7。目前柔 性直流输电所采用 IGBT 器件换流阀主要有 2 种拓 第 1 卷 第 2 期 智 能 电 网 15 扑结构：一种是两/三电平 IGBT 串联阀，多采用压 接式 IGBT， 如图 5 所示7； 另一种是模块化多电平 换流器(modular multilevel converter，MMC)型拓扑 结构，多采用焊接式 IGBT，如图 6 所示7。 StakPak 子模块 芯片 图 5 两/三电平拓扑 IGBT 换流阀分解图 Fig. 5 Disassembling diagram of 2/3-level converter valve 图 6 模块化多电平拓扑 IGBT 换流阀分解图 Fig. 6 Disassembling diagram of MMC converter valve 已经投运的采用MMC型拓扑结构的HVDC工 程有美国旧金山匹兹堡400 MW “Trans Bay Cable Project” ，该项目额定直流电压为200 kV，单桥臂 由216个子模块构成8。 我国研制的容量为20 MW， 电压等级为50 kV 的柔性直流输电系统关键设 备，与 2010 年在上海南汇风电厂挂网运行，采用 的是 3 300 V 的大功率焊接式 IGBT 模块。 压接式 IGBT 因其独特的结构形式及短路失效 机制， 被更多地应用于两/三电平拓扑结构的柔性直 流输电。压接式 IGBT 模块直接串联将使主电路结 构大为简化，控制复杂性大幅降低，所需器件大为 减少，从而使得装置更加紧凑，重量更轻，而可靠 性不会随着装置电压等级的提高而明显降低。尤其 适用于海上风电接入、大型城市电网改造等对环 境、体积、重量、维护等要求较高的场合，同时该 技术还可应用于各种多电平拓扑方案，减少多电平 结构的电平数，降低其控制复杂性，提高其装置可 靠性。至今多个 ABB 公司承建的商业运行柔性直 流输电工程都采用了其自家公司的 2 500、4 500 V 压接式 IGBT 器件。 3.5 柔性交流输电装置 采用 IGBT 器件的静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)、统一电能质 量调节器、统一潮流控制器等新型无功补偿装置具 有可靠性高、体积小、控制灵活、调节范围大等特 点，与静止无功补偿装置等采用半控器件的灵活交 流输电设备相比，能够更快速、更有效地达到补偿 系统中的无功功率和调节系统潮流的作用。 STATCOM 的感性和容性运行状态均连续快速可 调，其运行范围比传统静止无功补偿装置大，具有 广阔的发展和应用前途。IGBT 型 STATCOM 多用 于低压配电网， 由 ABB 公司研制的配电 STATCOM， 开关器件采用多个 IGBT 串联。根据 STATCOM 的 容量，目前在器件方面均选用 1 700 和 3 300 V IGBT，其电流从几百到上千 A 不等。 3.6 电能质量治理装置 定制电力技术的发展与许多电气设备对电能 质量的敏感性密切相关，基于 IGBT 器件的电力电 子装置提供了新型的电能质量控制手段。如有源滤 波器(active power flow，APF)、静止无功发生器 (static var generator，SVG)、STATCOM、统一电能 质量调节器、 动态电压恢复器、 配电不间断电源等。 IGBT 主要用于中小容量，特别是 D-STATCOM 装 置中。虽然单个 IGBT 的容量有限，但采用器件串 联、三电平及多变换器并联等技术，同样可获得较 高的容量水平，而且由于 IGBT 开关频率高、开关 损耗较小，可使用多脉冲脉宽调制技术，能获得更 好的输出特性。一些大公司生产出基于 IGBT 与脉 宽调制技术的串并联电能质量调节器。 3.7 充电桩逆变器 高频开关整流充电机由三相全桥 AC/DC 整流 器、 DC-DC 变换器(包括高频 DC/AC 逆变器、 变压器 和 AC/DC 整流器)和 LC 滤波器、脉宽调制驱动与调 节系统及充电控制系统组成，其原理框图如图 7 所 示。交流输入电压经过整流滤波后得到脉动的直流 电压，该电压经过高频逆变、高频隔离变压器、整 流滤波后得到稳定的直流电压/直流电流。大型充电 机的输入电压为380 V AC、 50 Hz 的三相交流电， 输 出电压一般为 300500 V DC，最大电流可达 400 A。 交流 输入 全桥 AC/DC 整流器 高频 DC/AC 逆变器 高频 变压器 高频 AC/DC 整流器 LC 滤波器 直流 输出 脉宽调制驱动与调节 充电控制系统 电能计量表计 人机交互终端 电池管理系统 充电监控系统 DC/DC 变换器 图 7 高频开关充电机原理框图 Fig. 7 Block diagram of high frequency switching charger 16 金锐等：IGBT 器件的发展现状以及在智能电网中的应用 Vol. 1 No. 2 根据直流侧电压和高工作频率的应用环境，应该选 用6001 200 V，能工作在20 KHz以上低开关损耗 的IGBT器件。 4 结论 本文首先介绍了IGBT在智能电网中应用的重 要性和广泛性， 对20多年来IGBT器件在IGBT芯 片、FRD芯片、封装等国内外技术发展水平做以回 顾。重点分析了IGBT在选型时对电压、电流、频 率和安全工作区等参数的考虑要点，结合在电网中 光伏逆变器、风能变流器、储能逆变器、柔性直流 换流阀、柔性交流输电装置、电能质量治理装置、 充电桩逆变器的典型应用，分析了在这些应用中使 用IGBT器件带来的深远影响。 参考文献 1 Kim S S IGBT 设计与制程技术的发展J 电子与电脑， 2009(10)： 45-52 2 亢宝位IGBT 发展概述