01 ? IGBT是什么？

IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由（BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有（MOSFET）金氧半場(chǎng)效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（GTR）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；（因?yàn)閂be=0.7V,而Ic可以很大（跟PN結(jié)材料和厚度有關(guān)））MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。（因?yàn)镸OS管有Rds，如果Ids比較大，就會(huì)導(dǎo)致Vds很大）

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT最主要的作用就是把高壓直流變?yōu)榻涣?，以及變頻（所以用在電動(dòng)車(chē)上比較多）。

02 ? IGBT的工作原理

忽略復(fù)雜的半導(dǎo)體物理推導(dǎo)過(guò)程，下面是簡(jiǎn)化后的工作原理。

IGBT有N溝道型和P溝道型兩種，主流的N溝道IGBT的電路圖符號(hào)及其等效電路如下：

所以整個(gè)過(guò)程就很簡(jiǎn)單：

當(dāng)柵極G為高電平時(shí)，NMOS導(dǎo)通，所以PNP的CE也導(dǎo)通，電流從CE流過(guò)。

當(dāng)柵極G為低電平時(shí)，NMOS截止，所以PNP的CE截止，沒(méi)有電流流過(guò)。

IGBT與MOSFET不同，內(nèi)部沒(méi)有寄生的反向二極管，因此在實(shí)際使用中(感性負(fù)載)需要搭配適當(dāng)?shù)目旎謴?fù)二極管。

03 ? IGBT的優(yōu)缺點(diǎn) ? ? 優(yōu)點(diǎn)：

1、具有更高的電壓和電流處理能力。

2、極高的輸入阻抗。

3、可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。4、電壓控制裝置，即它沒(méi)有輸入電流和低輸入損耗。

5、柵極驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且便宜，降低了柵極驅(qū)動(dòng)的要求

6、通過(guò)施加正電壓可以很容易地打開(kāi)它，通過(guò)施加零電壓或稍微負(fù)電壓可以很容易地關(guān)閉它。

7、具有非常低的導(dǎo)通電阻。

8、具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。10、具有比 BJT 更高的開(kāi)關(guān)速度。

11、可以使用低控制電壓切換高電流電平。12、雙極性質(zhì)，增強(qiáng)了傳導(dǎo)性。

13、安全可靠。

缺點(diǎn)：

1、開(kāi)關(guān)速度低于 MOS管。

2、因?yàn)槭菃蜗虻?，在沒(méi)有附加電路的情況下無(wú)法處理AC波形。

3、不能阻擋更高的反向電壓。

4、比 BJT 和 MOS管價(jià)格更高。

5、類(lèi)似于晶閘管的P-N-P-N結(jié)構(gòu)，因此它存在鎖存問(wèn)題

04 ? IGBT的主要參數(shù)

1、集電極-發(fā)射極額定電壓UCES是IGBT在截止?fàn)顟B(tài)下集電極與發(fā)射極之間能夠承受的最大電壓，一般UCES小于或等于器件的雪崩擊穿電壓。

2、柵極-發(fā)射極額定電壓UGE是IGBT柵極與發(fā)射極之間允許施加的最大電壓，通常為20V。柵極的電壓信號(hào)控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，其電壓不可超過(guò)UGE。

3、集電極額定電流IC是IGBT在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下，允許持續(xù)通過(guò)的最大電流。

4、集電極-發(fā)射極飽和電壓UCE是IGBT在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下，集電極與發(fā)射極之間的電壓降。該值越小，則管子的功率損耗越小。

5、開(kāi)關(guān)頻率在IGBT的使用說(shuō)明書(shū)中，開(kāi)關(guān)頻率是以開(kāi)通時(shí)間tON、下降時(shí)間t1和關(guān)斷時(shí)間tOFF給出的，根據(jù)這些參數(shù)可估算出IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，一般可達(dá)30～40kHz。在變頻器中，實(shí)際使用的載波頻率大多在15kHz以下。

05 ? IGBT的靜態(tài)特性曲線

IGBT靜態(tài)特性曲線包括轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線：其中左側(cè)用于表示IC-VGE關(guān)系的曲線叫做轉(zhuǎn)移特性曲線，右側(cè)表示IC-VCE關(guān)系的曲線叫做輸出特性曲線。

1、轉(zhuǎn)移特性曲線

IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線是指輸出集電極電流IC與柵極-發(fā)射極電壓VGE之間的關(guān)系曲線。

為了便于理解，這里我們可通過(guò)分析MOSFET來(lái)理解IGBT的轉(zhuǎn)移特性。

當(dāng)VGS=0V時(shí)，源極S和漏極D之間相當(dāng)于存在兩個(gè)背靠背的pn結(jié)，因此不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什么極性的電壓，總有一個(gè)pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，器件無(wú)法導(dǎo)通，漏極電流ID為N+PN+管的漏電流，接近于0。

當(dāng)0，柵極電壓增加，柵極G和襯底p間的絕緣層中產(chǎn)生電場(chǎng)，使得少量電子聚集在柵氧下表面，但由于數(shù)量有限，溝道電阻仍然很大，無(wú)法形成有效溝道，漏極電流ID仍然約為0。

當(dāng)VGS≥VGS（th）時(shí)，柵極G和襯底p間電場(chǎng)增強(qiáng)，可吸引更多的電子，使得襯底P區(qū)反型，溝道形成，漏極和源極之間電阻大大降低。此時(shí)，如果漏源之間施加一偏置電壓，MOSFET會(huì)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在大部分漏極電流范圍內(nèi)ID與VGS成線性關(guān)系，如下圖所示。

這里MOSFET的柵源電壓VGS類(lèi)似于IGBT的柵射電壓VGE，漏極電流ID類(lèi)似于IGBT的集電極電流IC。IGBT中，當(dāng)VGE≥VGE（th）時(shí)，IGBT表面形成溝道，器件導(dǎo)通。

2、輸出特性曲線

IGBT的輸出特性通常表示的是以柵極-發(fā)射極電壓VGE為參變量時(shí)，漏極電流IC和集電極-發(fā)射極電壓VCE之間的關(guān)系曲線。

由于IGBT可等效理解為MOSFET和PNP的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它的輸出特性曲線與MOSFET強(qiáng)相關(guān)，因此這里我們依舊以MOSFET為例來(lái)講解其輸出特性。

其中當(dāng)VDS>0且較小時(shí)，ID隨著VDS的增大而增大，這部分區(qū)域在MOSFET中稱(chēng)為可變電阻區(qū)，在IGBT中稱(chēng)為非飽和區(qū)；

當(dāng)VDS繼續(xù)增大，ID-VDS的斜率逐漸減小為0時(shí)，該部分區(qū)域在MOSFET中稱(chēng)為恒流區(qū)，在IGBT中稱(chēng)為飽和區(qū)；

當(dāng)VDS增加到雪崩擊穿時(shí)，該區(qū)域在MOSFET和IGBT中都稱(chēng)為擊穿區(qū)。

IGBT的柵極-發(fā)射極電壓VGE類(lèi)似于MOSFET的柵極-源極電壓VGS，集電極電流IC類(lèi)似于漏極電流ID，集電極-發(fā)射極電壓VCE類(lèi)似于漏源電壓VDS。

MOSFET與IGBT在線性區(qū)之間存在差異（紅框所標(biāo)位置）。

這主要是由于IGBT在導(dǎo)通初期，發(fā)射極P+/N-結(jié)需要約為0.7V的電壓降使得該結(jié)從零偏轉(zhuǎn)變?yōu)檎鶎?dǎo)致的。

06 ? IGBT如何選型

1、IGBT額定電壓的選擇三相380V輸入電壓經(jīng)過(guò)整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開(kāi)關(guān)工作的條件下，IGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，根據(jù)IGBT規(guī)格的電壓等級(jí)，選擇1200V電壓等級(jí)的IGBT。

2、IGBT額定電流的選擇以30kW變頻器為例，負(fù)載電流約為79A，由于負(fù)載電氣啟動(dòng)或加速時(shí)，電流過(guò)載，一般要求1分鐘的時(shí)間內(nèi)，承受1.5倍的過(guò)流，擇最大負(fù)載電流約為119A ，建議選擇150A電流等級(jí)的IGBT。

3、IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)的選擇變頻器的開(kāi)關(guān)頻率一般小于10kHZ，而在實(shí)際工作的過(guò)程中，IGBT的通態(tài)損耗所占比重比較大，建議選擇低通態(tài)型IGBT。

4、影響IGBT可靠性因素：

（1）柵電壓IGBT工作時(shí)，必須有正向柵電壓，常用的柵驅(qū)動(dòng)電壓值為15～187，最高用到20V， 而棚電壓與柵極電阻Rg有很大關(guān)系，在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)， 參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設(shè)計(jì)合適驅(qū)動(dòng)參數(shù)，保證合理正向柵電壓。因?yàn)镮GBT的工作狀態(tài)與正向棚電壓有很大關(guān)系，正向柵電壓越高，開(kāi)通損耗越小，正向壓降也咯小。

在橋式電路和大功率應(yīng)用情況下，為了避免干擾，在IGBT關(guān)斷時(shí)，柵極加負(fù)電壓，一般在-5- 15V，保證IGBT的關(guān)斷，避免Miller效應(yīng)影響。

（2）Miller效應(yīng)為了降低Miller效應(yīng)的影響，在IGBT柵驅(qū)動(dòng)電路中采用改進(jìn)措施：

①開(kāi)通和關(guān)斷采用不同柵電阻Rg,ON和Rg,off，確保IGBT的有效開(kāi)通和關(guān)斷;

②柵源間加電容c，對(duì)Miller效應(yīng)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行能量泄放;

③關(guān)斷時(shí)加負(fù)柵壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用三者合理組合，對(duì)改進(jìn)Mille r效應(yīng)的效果更佳。

07?IGBT的應(yīng)用

IGBT最主要的作用就是高壓直流轉(zhuǎn)交流，以及變頻；

1、新能源汽車(chē)

IGBT是電動(dòng)汽車(chē)及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件，在電動(dòng)汽車(chē)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，主要作用于電動(dòng)車(chē)汽車(chē)的充電樁、電動(dòng)控制系統(tǒng)以及車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)。

（1）電動(dòng)控制系統(tǒng)

作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆變后汽車(chē)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；

（2）車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)

作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆變；

（3）充電樁

智能充電樁中被作為開(kāi)關(guān)元件使用；

2、智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端均需使用IGBT。

（1）發(fā)電端

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需使用IGBT。

（2）輸電端

特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術(shù)需大量使用IGBT。

（3）變電端

IGBT是電力電子變壓器的關(guān)鍵器件。

（4）用電端

家用白電、 微波爐、LED照明驅(qū)動(dòng)等都對(duì)IGBT有大量的需求。

3、軌道交通

眾所周知，交流傳動(dòng)技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中牽引變流器是關(guān)鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一，可以說(shuō)該器件已成為軌道交通車(chē)輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。

審核編輯：湯梓紅