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基于IGBT高频电源的研究摘要绝缘栅双极型晶体管是先进的第三代功率模块，工作频率为120kHz，主要应用在变频器的主电路逆变器及一切逆变电路，即DCAC变换中，如电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。问世迄今有十多年历史，几乎已替代一切其他功率器件，如SCR、GTO、GTR、MOSFET，双极型达林顿晶体管等。如今功率可高达1MW的低频应用中，单个器件电压可达4.0kV(PT结构)至6.5kV(NPT结构)，电流可达1.5kA，是较为理想的功率模块。高频淬火机床的核心高频电源由三个子系统构成，直流电源系统，IGBT变频器，和控制系统。直流电源转换60HZ输入为直流，IGBT变频器转换直流电源为高频交流电源，控制系统监控操作者的输入和内部转换信号以调节电源输出。IGBT变频器的工作过程及系统的稳定性是本文的主要研究目的。IGBT的可靠性和转换效率是重要指标，也是研究中关注解决的重点。本文介绍了高频电源的基本内容，着重分析了IGBT的基本原理和发展。关键词：IGBT 高频电源 频率变换 AbstractInsulated Gate BipolarTransistor(IGBT) is an advanced third-generation power module with working frequency from 1Hz to 20kHz.It is mainly uesd main circuit transducer of inverter and wholeless transduce circuit,that is DC/AC inverte such as electromotion vehicle,servo amplifier,UPS,swtiching power supply,chopper power supply, trolleybus etc.With a history of more than adecade, IGBTs have already replaced any other power devices including SCR,GTO,GTR,MOSFET,Bipolar Darlington Transistor etc. In practical application of low frequency state with 1MW high power,device voltage may range from 4.0kV(PT structure) to 6.5kV(NPT structure),the current will be 1.5kA,It is quite a perfect power device. High frequency quench machines core-high frequency power supply consists of three subsystems: The Direct Current(DC)power supply,the Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)inverter,and the control system.The DC supply converts the 60Hz input to DC.The IGBT inverter converts the DC power to high frequency AC power.The control subsystem monitors the operator input and the internal inverter signals to regulate the power output.The paper aims at the working process and system stability of IGBT, amongst which reliability and converting efficinecy are important guideline of an IGBT. They are also the focus points of this paper.It presents a general introduction of high frequency power supply and emphasizes the analysis of the theory and development of IGBT as well.Key words: IGBT High frequency power supply frequency converts 目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 目前我国感应热处理电源设备的现状和发展11.1.1 机械式中频发电机.11.1.2 电子管高频电源.11.1.3 晶闸管(SCR)式中频电源11.1.4 晶体管超音频和高频电源.21.2 IGBT国内外发展现状与趋势.31.2.1 IGBT功率半导体技术的发展.31.2.2 IGBT制造技术的发展进程.31.2.3 IGBT模块封装技术的发展.51.2.4 IGBT驱动器技术现状.61.2.5 IGBT驱动器的发展趋势.81.2.6 结论91.3 研究的意义与内容.91.4 本文的组织结构.9第二章 IGBT的分类指标.112.1 IGBT的指标.112.1.1 导通.122.1.2 关断.122.1.3 反向阻断122.1.4 正向阻断132.1.5 闩锁132.1.6 正向导通特性132.1.7 动态特性142.1.8 安全运行区SOA.142.1.9 FBSOA.152.1.10 RBSOA.152.1.11 SCSOA.152.1.12 最大工作频率.15第三章 感应加热原理及操作流程173.1感应加热原理.173.2操作流程.183.2.1 直流电源203.2.2 IGBT变频器.203.2.3 控制系统21第四章 结论30参考文献：31致谢3231第一章 绪论感应热处理具有加热速度快、节约能量、不氧化脱碳、不污染环境以及生产效率高等多方面优点，这些优越性为热处理工作者广泛认同，因此近十几年来发展很快。当然这一实际需求，也大大促进国产感应热处理设备的发展和技术提升。以长春的“中国一汽”为例，该公司拥有感应热处理设备近100多台，其中近十年新增或更新的设备就有50台，几乎全部是可控硅中频设备和IGBT超音频设备。现在“一汽”的中型卡车的感应热处理零件重量以达到291.3kg，占全部热处理零件的52%，感应热处理真正地挺起了热处理的半壁江山。1.1 目前我国感应热处理电源设备的现状和发展中、高频电源设备是感应热处理的关键设备。目前我国热处理行业除最古老的火花间隙式高频电源没有使用外，其他几种电源都在使用，其中机式中频发电机和电子管式高频电源尽管落后，在某些地区或工厂，仍是主力生产设备。现就各种电源的优缺点介绍如下：1.1.1 机械式中频发电机机械式中频发电机大约在1920年研发成功，当年美国俄亥俄州的克拉克公司首先将其用于曲轴轴颈的淬火，这是最早用于工业生产的中频电源。它的最大优点是耐用，除工作几年要更换轴承外，几乎不需要维修保养。它的缺点是频率固定，使用范围受到限制；占地面积大；噪音大；耗水量大；电效率较低，约为7075%左右。1.1.2 电子管高频电源电子管高频电源大约诞生于1930年左右。它的主要优点是调谐简单、使用方便，尽管频率高(后开发出超音频)，应用范围还是较宽的(在不讲究加热效率的情况下)。它的主要缺点是电效率低，约为50%左右；工作电压太高，安全性差；单机功率小等。1.1.3 晶闸管(SCR)式中频电源晶闸管(SCR)中频电源亦称可控硅中频电源，这种电源国际上约在1970年左右研制成功，并开始大量使用。我国约在80年代研制成功并开始试用。90年代初完全成熟，某些技术指标已经达到国际先进水平。感应淬火用的晶闸管中频电源频率一般为2.58kHz。它与机式中频相比具有很多优点：体积小，重量轻；无机械运动，噪音小；启动停止方便，频率可以根据零件需要调整，并在运行中自动跟踪，保持在最高的功率因数下运行；安装容易，不需要特殊基础；淬火设备的单机功率可达1000kW；电效率可达90%。1.1.4 晶体管超音频和高频电源晶体管超音频和高频电源一般指：(1)IGBT超音频电源、MOSFET高频电源和SIT高频电源。晶体管超音频和高频电源国际上大约在20世纪70年代中后期先后开发成功。我国在90年代开发成功。目前国产IGBT电源已很成熟，我公司生产的IGBT电源的某些指标已经达到国际先进水平：频率850kHz功率可达500kW、频率50100kHz功率可达200kW。国产MOSFET做到200kHz、100kW。SIT高频电源国内已生产了几十台，但由于备件缺乏，已经逐渐报废。SIT电源因单管功率小等缺点很难克服，国外公司已经停止研发和生产。晶体管电源优点与晶闸管电源的优点相同或相近，但其频率可做到几百千赫。现用 下表1.1对上述内容进行总结：表1.1机式中频发电机电子管高频电源晶闸管中频电源晶体管高(超音)频电源频率(kHz)110355001104200单机容量(kW)10250235010100010500频率是否变化不变自激式变化可变可变输出功率调整法调激磁电压调阳极电压调直流电压调直流电压频率转换效率7075%50%可达90%可达90%以上消耗品轴承电子管无无安装面积大中小小单次修理时间长短短短能否并联运行能不能能能淬火层深度310mm13mm310mm110mm1.2 IGBT国内外发展现状与趋势国内外对IGBT有大量相关的研究和相对成熟的产品，相关产品也已经经历了几代的发展。电力电子领域的每一次大的技术进步都是以功率变换器件的发展为基础的。从最初晶闸管的发明，到后来的大功率晶体管的出现，一直到今天被广泛应用的功率MOSFET和IGBT，这一系列的技术革新都使得变换装置能够以更高的开关频率工作，做到更小的体积与重量，并向模块化、集成化和智能化方向发展。同时，来自于市场日益增长的对更高功率密度、更大系统集成度、坚固耐用性以及更高可靠性的需求，以及随之而来的对产品低成本、标准化接口、灵活可扩展以及模块化的需求，促使各大功率器件厂家都在着力研究开发新一代的功率模块。另外，IGBT驱动器作为与功率器件的直接关联部分，其性能直接影响IGBT的功耗、安全性与可靠性等特性，在功率变换器内发挥相当重要的作用。本文主要讨论了IGBT的制造技术及其驱动器的发展情况和最新进展。 1.2.1 IGBT功率半导体技术的发展 当今大多数功率电子装置都是由MOSFET和IGBT来实现电能的变换，IGBT是MOS栅器件结构同双极晶体管相结合进化而成的复合型功率开关器件。所以，IGBT的使用具备了双极晶体管和功率MOSFET的双重特点，从而形成了具有更好的折衷特性(通态压降和开关时间之间)、较低的总损耗(导通损耗和开关损耗等损耗之和)和更稳实的开关安全工作区(SOA)。于是，IGBT成功地持有绝缘栅的良好控制能力及通态电导调制的综合优点。基于这些优势，目前，IGBT已经基本上完全取代了大功率晶体管，成为电力电子电路主要采用的功率器件，应用前景非常广泛。 1.2.2 IGBT制造技术的发展进程 最原始的IGBT概念是在1980年代的前半期被引出来，它是采用DMOS平面栅技术制成的，硅芯片的结构是一种较厚的NPT(非穿通)型设计。后来，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，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。并且在几年之内，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则已经从5微米达到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。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。随后硅芯片的垂直结构也得到了相应的改善，从PT型转向NPT型，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)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。 在制作工艺方面，表面结构上经历了从平面栅结构向沟槽型结构发展的过程，这种结构可以消除JFET区域，使得IGBT的通态电阻进一步地明显减小，使其电流密度提高。而且，同传统的平面栅结构相比较，它还使芯片的尺寸进一步减小。但是，沟槽结构的元胞密度比较高，导致短路电流比较大，这就意味着它的耐短路能力(持续时间)比较差。另外，沟槽栅结构器件的元胞密度高，还大大地增加了栅极输入电容，于是，就得要求增大栅驱动功率。这两个问题在21世纪初通过引入PCM(插入式组合元胞)设计而得到解决，也就是采取宽元胞间距结构来保持短路电流相对较小。还采取在p基区和n-漂移层之间形成一个n型层，即所谓“载流子储存层”(CS层)的设计，使能够储存载流子。所以，CS层对于改善n-漂移区内的电导，从而减小VCE(饱和)是很有用的。 与此相对应的是在垂直结构方面IGBT经历了螺旋式的发展：开始是比较厚的NPT(非穿通)型结构；后来变成具有双外延层的PT(穿通)型结构；然后又经历比较薄的NPT(非穿通)型结构，最后，则演变成LPT(弱穿通)型结构，它是一种在区熔(FZ)硅单晶薄片上形成的一种更先进的类PT(穿通)型结构(穿通型结构中，n+缓冲层的掺杂浓度比较高；在弱穿通型结构中，n+缓冲层的掺杂浓度比较低。前者的缓冲层掺杂浓度比后者高2-3个数量级)。目前，弱穿通(LPT)结构已经被应用到实际的IGBT器件中，改善了成本与性能关系。在IGBT模块中同IGBT芯片结合在一起使用的另一类功率芯片，即新型续流二极管也正在进步与改进之中，通过采用新的结构它们会获得更软的(恢复)性能。 随着电力电子技术的发展，对IGBT功率器件提出了更高的要求，更低的饱和压降和更快的开关速度，以及得到更小的通态和开关功率损耗；更宽的安全工作区；具有更低的噪声以及具有反向阻断和反向导通的能力。由于IGBT制造技术的进步，必将带来电力电子技术新的发展。 1.2.3 IGBT模块封装技术的发展 对IGBT等功率器件的性能和封装的需求是推动功率器件发展的源动力，在过去的几年中，电力电子领域关注的焦点多集中在定位于特定目标市场的新型大功率集成电路的研究与开发及其更新换代上。这样不仅导致了标准IGBT模块的产生，而且也出现了一些经过优化满足特定客户需求的特殊类型的模块。模块化封装技术概括起来主要体现在以下几个方面。 体积小型化：功率半导体的体积直接影响功率变换器的体积和重量，新的技术可以增加IGBT芯片的电流密度，减小模块的体积。相对从前的模块，新一代的模块厚度会更小。现今最新一代的沟道IGBT和轴向载流子寿命控制续流二极管构成的模块电流密度达到200A /cm2。如此高的电流密度使得现有的封装尺寸效率更高，也就是说现有的电流等级所需要的芯片面积会逐渐减小。 结构合理化：如果一味地想依靠减小功率半导体器件的体积来减小变换器的体积从而降低成本的想法是不现实的，因为对于变换器来说，还有电容和滤波器等器件所占的体积远远大于功率器件。而且存在振动的场合，大的电缆横截面和直流母线排都会对模块产生比较大的应力，这些因素甚至会对连接元件的可靠性产生负作用。另外，如果模块太小也会增加散热方面的难度。因此，目前IGBT模块封装更注重结构方面的合理化设计，研究新的安装和连接技术。比如：Semikron公司推出的SEMiX系列IGBT模块，其两个直流端子位于模块的同一端，便于直流母线电容与IGBT模块的连接。采用层叠状的铜排系统可以将铜排电感降低到最小。交流端子位于模块的另一端，这种直流、交流端子的分离式设计很自然地提供了直流与交流的电气绝缘距离。另外，主回路端子的这种设计排列允许将驱动器置于模块的顶端。这就减小了驱动器与模块之间的引线长度，使整个系统更加紧凑。而且，同主回路端子位于顶部的模块相比较，直流母线铜排与电容通过側面的端子与模块相连接，其对模块的机械应力要小得多。这有助于提高模块工作的可靠性。特别是在振动工作环境下，这一优点显得尤为突出。必要时，还可以在母线与模块端子之间采用柔性连接，进一步缓解模块的机械受力。产品标准化：以基本模块为基础，针对不同的功率范围、拓扑结构、集成度以及不同的封装形式，可以产生不同的模块版本，从而适时地满足特定用户的需求。也就是说，同一系列不同封装形式的IGBT模块都是建立在同样的内部元器件平台基础上的，也就是说直流环节和驱动电路的接口在整个功率范围内都是一致的。对变换器设计者而言，这意味着量测模块组件的功率和功能更加简单，它同时还能够降低开发过程的复杂性以及所耗费的时间。在此基础上，满足客户定制拓扑和并实现客户产品系列的连续延伸。比如：Semikron公司推出的SEMIX系列IGBT模块和功率二极管整流模块，所有封装形式都具有相同的高度(17mm)，便于用户采用相同的安装高度。 1.2.4 IGBT驱动器技术现状 功率电子系统的品质不仅仅由功率半导体器件所决定，它还与系统的不同功能单元有关，比如：功率部分和驱动部分之间的相互作用就对系统的功耗和可靠性等方面有着极大的关联。一个优化的驱动器在功率变换系统中是不可或缺的，它是功率晶体管和控制器之间非常重要的接口电路，因此，选择适当的驱动电路就和逆变器整体方案的可靠性紧密相关。与此同时，驱动电路还应该具备最广泛的系统适应性和用户接口的友好性。 概括起来，驱动器主要完成以下三个方面的功能，首先是要有驱动功能，为IGBT开关提供足够大的驱动电流，保证IGBT能在它的控制下可靠地开通和关断；另外，驱动器还要具有对IGBT的保护功能，当IGBT发生短路或者过流时，驱动器能在最短的时间关断IGBT，保护功率器件。除此之外，由于IGBT通常是工作在高电压、大电流的工作环境，驱动器作为控制电路与功率电路之间的连接桥梁，必须要具有电气隔离的功能，保证控制电路不会受功率电路的干扰和影响。在上述三大要求满足的前提下，驱动器还要考虑灵活性、性能与价格之间的关系。当前，IGBT驱动器的技术发展现状主要体现在以下几个方面： 功能更完善：增加了驱动器对IGBT的部分保护功能，使驱动器能更有效地保护IGBT，比如：过流软关断电路，可以防止IGBT由于在大电流时过快的关断造成过高的电压尖峰。欠压监视电路可以解决由于驱动电压不足造成的IGBT功耗增加的问题。短脉冲抑制电路可以防止过窄的驱动脉冲使IGBT过短时间的通断。如果是两路驱动同一桥臂的上下管，通常还具有防止两路驱动脉冲同时导通的互锁功能；死区时间可以通过外部端子来调节；外部故障输入功能。另外，为了方便用户使用，很多驱动器内部都集成了具有高隔离电压的DC/DC变换器，用于对驱动电路提供功率。 接口更友好：为了适应不同的厂商和封装的IGBT模块，驱动器必须具有更为友好的接口。同时，驱动器必须在功能、灵活性和低成本等因素之间权衡，这就催生了驱动芯的概念。驱动芯仅仅集成了栅极驱动过程中最核心的功能：信号传递、电气隔离以及短路保护。这种由最少的功能构成的驱动芯带给了用户宽广的灵活性和经济的成本。 由于驱动芯只提供驱动器中最重要的通用功能，因此它在不同的应用中与不同模块的连接需要依靠接口板来完成。整个模块驱动单元包括了一个具有弹簧接口的功率模块、一个标准版或增强版驱动芯以及连接驱动芯到指定模块的接口板。可以用户化的接口板有一个突出的优点：用户可以自己调整并决定IGBT的开关特性，例如：通过调整Rgon或Rgoff来改变IGBT开通或关断的速度；调整死区时间或禁止互锁功能；调整VCE保护点和窗口时间等。与目前市场上的智能功率模块IPM相比较，接口板使得整个系统变得更加灵活，更易于适应不同的应用。而一旦系统参数被设定后，整个系统可以如同IPM一样使用方便。 SEMiX模块与接口板的电气连接是通过SEMiX模块中内置的弹簧与接口板底层的触点来实现的。装配完成后，接口板的触点触压模块的弹簧触点，通过压力接触完成电气连接。与焊接技术相比，触压提高了功率模块的可靠性。同样，驱动芯与接口板的插拔式连接也是为了避免焊接。 集成度更高：驱动器的发展的趋势是高度集成化，这样可以减小驱动器的体积，可以与IGBT更为紧密地结合，使其安装更方便，减小驱动器与IGBT模块之间的连接线长度，减小引线电感。为了实现这一目标，很多公司研发的IGBT驱动器产品都采用了自主研发的专用集成电路ASIC，比如：Semikron公司的SKIC2001A和CONCEPT公司的LDI001和LGD001，通过ASIC的应用，可以减小驱动器的体积和增加IGBT驱动器的可靠性。 1.2.5 IGBT驱动器的发展趋势 IGBT作为一种复合性的功率半导体，由于其低功耗，高的开关频率在功率变换器中得到越来越广泛的应用，对于其驱动电路的要求也会越来越高，主要的技术发展方向体现在以下几方面。更高的集成度：目前的驱动器体积相对还比较大，特别是大功率的驱动器，通常都会采用变压器来实现隔离，变压器的体积和重量相对比较大。因此，未来的驱动器会采用体积更小的隔离器件，比如应用压电式变压器或者磁集成技术来减小隔离元件的体积和重量，增加集成度。 更高的隔离电压：当前驱动器都是采用光耦和变压器来实现隔离，光耦的优点是体积小，但存在隔离电压比较低、容易老化和延迟较大等不足。变压器隔离的隔离电压较高，延迟较小但体积较大。因此，在需要高压隔离的场合还多数采用变压器来实现隔离，产品化的驱动器的最高隔离电压大约为3300V左右。IGBT目前的最高电压等级已经达到6500V的水平，为了适应更高电压应用场合，必须采用隔离电压更高的驱动器。 更大的驱动功率：IGBT模块的容量在不断增加，单个模块的电流容量已经可以做到3600A，有时为了增加容量，通常采用并联的方式工作，对驱动器的驱动功率也提出了更高的要求，驱动器的最大输出电流必须相应地增加，特别是在多个模块并联应用时，驱动器平均输出功率可能达到5W-10W，最大输出电流要求30A以上。 更高的开关频率：为了适应在感应加热电源等方面的应用，IGBT的开关频率不断增加，当前，IGBT最高的开关频率已经可以做到100KHz以上，对于驱动器来讲，意味着必须提供更大的驱动功率，而且还要驱动器具有更短的驱动脉冲延迟时间和上升、下降时间，提供更大的瞬时最大驱动电流。更完备的功能：现有的门极驱动技术无法实现对IGBT开关过程中引起的di/dt，dv/dt的控制，从而控制变换电路的EMI。有源门极驱动技术可以有效地控制IGBT开关造成的较高的di/dt，dv/dt，相应地可以使IGBT工作在更加安全的工作区，减小其开关过程中产生的EMI，相应地减小IGBT的缓冲吸收电路。其中三段有源门极驱动技术是一种应用前景比较广泛的有源门极驱动技术。 1.2.6 结论 IGBT作为电力电子系统的一种关键的电力半导体器件已经持续增长了若干年，由于它使电力电子装置和设备实现了更高的效率，更高的频率实现了功率变换装置小型化的设计。随着性能不断提升，IGBT器件的应用领域已经扩展到很宽的范围，不仅在工业中，而且在许多其他功率变换系统中，它已经取代了大功率双极晶体管(GTR)、功率MOS场效应管(MOSFET)，甚至出现替代门关断晶闸管(GTO)的现实趋势。随着IGBT制造技术的发展，和应用领域将进一步增加，对于其驱动器的性能的要求也在不断提高，各驱动器制造商为了适应新一代IGBT的性能，正在研发性能更加完善的驱动器产品。1.3 研究的意义与内容改革开放以来，特别是近十年来，我国的感应热处理设备技术有了巨大进步，产品已经达到或接近国际同类产品的先进水平，性价比远高于国外名牌产品。国产的感应热处理设备能够基本满足我国感应热处理事业发展的需要。十年内，成功地开发了一系列的关键技术,例如晶闸管中频电源技术、IGBT超音频电源技术、MOSFET高频电源技术、曲轴圆角淬火技术、轿车等速万节淬火技术、瓦楞辊淬火技术、铜-铁熔敷焊技术等等。我们有理由相信依靠我们自己的智慧，把我国的感应热处理技术推上国际先进水平。1.4 本文的组织结构本文第一章是绪论，介绍所研究高频电源及IGBT元件的背景及意义。第二章是对IGBT元件的详细说明，包括元件的相应指标、分类及相应状态下的性能，同时着重介绍了IGBT的基本原理和发展。第三章是感应加热的原理和具体工作流程，详细介绍了整个系统的组成部分，结构及控制功能，保护功能等。第四章是结论。第二章 IGBT的分类指标2.1 IGBT的指标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2.1中的纵剖面图及图2.2中的等效电路。 图2.1N沟道IGBT剖面图图2.2简易等效电路2.1.1 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，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)。 2.1.2 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。 2.1.3 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。 2.1.4 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。 2.1.5 闩锁 IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。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。 2.1.6 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。理想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)。 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，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。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。2.1.7 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 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+Cgc) 值相等的寄生净值的时间常量，然后，改变dV/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，di/dt是Rg的一个函数，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。 2.1.8 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。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。 2.1.9 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。 2.1.10 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Ilatch5 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。2.1.11 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。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 。2.1.12 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，Ic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。第三章 感应加热原理及操作流程3.1感应加热原理当一个金属工件置于一个强大的交互式磁场中，感应热量将会产生。交互式磁场使很大的涡电流流经工件，在阻抗损耗和电流的联合作用下使工件发热。交互式磁场由感应加热线圈的交感电流产生。见图3.1。图3.1感应加热系统在加热线圈中的工件的功率的改变依赖与供给它电压和电流的线圈，变频电源系统的输出是可以调节频率的，与互感电流源的输出是可变比例关系。高频隔离变压器的调谐串联电路由调谐电容器和感应加热线圈构成。所有的电压应用与线圈及线圈功率可调和频率的功能见图3.2。图3.2功率电压与频率的相互关系高频电源单元通过功率与频率的对应关系去控制负载的功率，见图3.2，非常小的频率变换会导致很大的输出功率改变。这一曲线描绘了一种单位载荷下的情况。实际上，线圈的自感应和调谐负载共鸣频率的改变是由于工件通过了居里温度或从根本上改变了线圈与工件之间的耦合，两者之间的任何一种影响。这种因素造成影响的改变见图3.3。图3.3居里温度的影响居里点也称居里温度或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相2的相变温度。也可以说是发生二级相变的转变温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。3.2操作流程高频淬火机床的核心高频电源由三个子系统构成，直流电源系统，IGBT变频器，和控制系统。直流电源转换60HZ输入为直流，IGBT变频器转换直流电源为高频交流电源，控制系统监控操作者的输入和内部转换信号以调节电源输出。相互之间的关系见系统图3.4。图3.4高频电源系统框图三相交流输入通过一个三相全波桥式整流器转变成直流，再经过直流电感和电容滤波器到变频器，把直流转换成高频的功率因素在0.93。变频器子系统的作用是把直流能量转换成感应加热线圈所需要的高频交流能量。负载输出功率的控制通过基于控制子系统的驱动脉冲使频率改变。控制子系统监控反馈信号和比较其与可接受的预设值。变频器的频率自动由控制子系统单元自动控制以适用功率，若是在功率达到前已经到极限值，变频电源将持续在最大输出功率和可达到的设定范围内工作。非常低的功率等级的获得是通过操作频率的调节和脉冲单元的全级设定功率来达到的。指示灯显示了设定功率或其他操作范围值之一达到限定值，同时它还显示预制系统操作中的错误。3.2.1 直流电源直流电源子系统的作用是把三相进线电源转换成变频子系统所需的直流电源。一个简单的三相桥式整流器用于进行交直流转换，一个滤波其在变频交流电和变频供电之间提供隔离作用。3.2.1.1 保护半导体桥式整流器必须提供保护以防止过电流及瞬时过电压的情形。这种保护通过使用一个输入电路断路器，输入电路保险丝，和一个直流电感。输入电路断路器和保险丝额定为持续操作在100功率输出状态下的最小线上电流。他们是快断型的，以保护半导体桥式整流器应损害而导致的故障。3.2.1.2 滤波器直流滤波电容提供一个低阻抗电压源给变频器，电流经电容交替供给变频器，这个滤波电容不需要很大的容量但是要有一个高的交流电流等级。直流电感提供高频变频器信号与输入电路之间所需要的隔离。3.2.2 IGBT变频器变频器子系统的作用是把直流电源的直流电压转换为高频交流电压，IGBT的作用相当与开关，当正极电压加到基极时打开，当这个电压降到零位或供给相对与发射基为负的电压时关闭。全桥式电路构造设计为供给一个高电压输出到高阻抗的感应线圈，变频器线路的简图见图3.5，一个完整的开关序列见图3.6。图3.5简易IGBT变频器电路图以下章节描述了如何把直流电源的直流供电转换成交流电的，为了解释的目的，按惯例假定电流的流向。当IGBT的TA1和TB2由其各自的基极驱动信号而开启，循环开始。闭合开关TA1和TB2的描述见图3.6(a)，电流从直流电源正极流经TA1，串联电容Cs，和经由输出隔离变压器的负载线圈，然后经TB2回到电源负极。当TA1和TB2关断，循环的第二阶段开始，电流从TA1和TB2经负载感应器快速切换为经DA2和DB1。在第三阶段，TA2和TB1关闭的同时，负载电流仍然流经DA2和DB1。在第四阶段，负载电流从DA2和DB2自然转换到TA2和TB1完成AC循环的第二半波。在高频电源中负载线圈连接的调谐电容(Cs)通过耦合连接到一个隔离变压器。因此，负载和通过晶体管的电流路径是一致的。电流流经负载，无论隔离变压器的变比而提高。所有的输出线圈电流和电压是正弦曲线，功率是通过改变变频器频率来控制的。3.2.3 控制系统控制系统框图见图3.7。控制板有自己独立的电源供应在控制系统的核心。反馈组件提供系统操作级别信号给控制板电路，这板子同时提供控制板与变图3.6变频器开关顺序图频电源之间的隔离。仪表板带有仪表和指示灯以提供对高频电源