IGBT基礎知識匯總！

1. 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效應管(MOS)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有(MOSFET)金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管(GTR)的低導通壓降兩方面的優點。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;(因為Vbe=0.7V,而Ic可以很大(跟PN結材料和厚度有關))MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。(因為MOS管有Rds，如果Ids比較大，就會導致Vds很大)

IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT最主要的作用就是把高壓直流變為交流，以及變頻。(所以用在電動車上比較多)

2. IGBT的工作原理

忽略復雜的半導體物理推導過程，下面是簡化后的工作原理。

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

所以整個過程就很簡單：

當柵極G為高電平時，NMOS導通，所以PNP的CE也導通，電流從CE流過。

當柵極G為低電平時，NMOS截止，所以PNP的CE截止，沒有電流流過。

IGBT與MOSFET不同，內部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中(感性負載)需要搭配適當的快恢復二極管。

3. IGBT的優缺點

優點：

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，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

5、柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求

6、通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或稍微負電壓可以很容易地關閉它。

7、具有非常低的導通電阻。

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 更高的開關速度。

11、可以使用低控制電壓切換高電流電平。12、雙極性質，增強了傳導性。

13、安全可靠。

缺點：

1、開關速度低于 MOS管。

2、因為是單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

3、不能阻擋更高的反向電壓。

4、比 BJT 和 MOS管價格更高。

5、類似于晶閘管的P-N-P-N結構，因此它存在鎖存問題

4. IGBT的主要參數

(1)集電極-發射極額定電壓UCES是IGBT在截止狀態下集電極與發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-發射極額定電壓UGE是IGBT柵極與發射極之間允許施加的最大電壓，通常為20V。柵極的電壓信號控制IGBT的導通和關斷，其電壓不可超過UGE。

(3)集電極額定電流IC是IGBT在飽和導通狀態下，允許持續通過的最大電流。

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

(5)開關頻率在IGBT的使用說明書中，開關頻率是以開通時間tON、下降時間t1和關斷時間tOFF給出的，根據這些參數可估算出IGBT的開關頻率，一般可達30～40kHz。在變頻器中，實際使用的載波頻率大多在15kHz以下。

5. IGBT的靜態特性曲線

IGBT靜態特性曲線包括轉移特性曲線和輸出特性曲線：其中左側用于表示IC-VGE關系的曲線叫做轉移特性曲線，右側表示IC-VCE關系的曲線叫做輸出特性曲線。

(1)轉移特性曲線

IGBT的轉移特性曲線是指輸出集電極電流IC與柵極-發射極電壓VGE之間的關系曲線。

為了便于理解，這里我們可通過分析MOSFET來理解IGBT的轉移特性。

當VGS=0V時，源極S和漏極D之間相當于存在兩個背靠背的pn結，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pn結處于反偏狀態，漏、源極間沒有導電溝道，器件無法導通，漏極電流ID為N+PN+管的漏電流，接近于0。

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

當VGS≥VGS(th)時，柵極G和襯底p間電場增強，可吸引更多的電子，使得襯底P區反型，溝道形成，漏極和源極之間電阻大大降低。此時，如果漏源之間施加一偏置電壓，MOSFET會進入導通狀態。在大部分漏極電流范圍內ID與VGS成線性關系，如下圖所示。

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

(2)輸出特性曲線

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

由于IGBT可等效理解為MOSFET和PNP的復合結構，它的輸出特性曲線與MOSFET強相關，因此這里我們依舊以MOSFET為例來講解其輸出特性。

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

當VDS繼續增大，ID-VDS的斜率逐漸減小為0時，該部分區域在MOSFET中稱為恒流區，在IGBT中稱為飽和區;

當VDS增加到雪崩擊穿時，該區域在MOSFET和IGBT中都稱為擊穿區。

IGBT的柵極-發射極電壓VGE類似于MOSFET的柵極-源極電壓VGS，集電極電流IC類似于漏極電流ID，集電極-發射極電壓VCE類似于漏源電壓VDS。

MOSFET與IGBT在線性區之間存在差異(紅框所標位置)。

這主要是由于IGBT在導通初期，發射極P+/N-結需要約為0.7V的電壓降使得該結從零偏轉變為正偏所導致的。

6. IGBT如何選型

(1)IGBT額定電壓的選擇三相380V輸入電壓經過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開關工作的條件下，IGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，根據IGBT規格的電壓等級，選擇1200V電壓等級的IGBT。

(2)IGBT額定電流的選擇以30kW變頻器為例，負載電流約為79A，由于負載電氣啟動或加速時，電流過載，一般要求1分鐘的時間內，承受1.5倍的過流，擇最大負載電流約為119A ，建議選擇150A電流等級的IGBT。

(3)IGBT開關參數的選擇變頻器的開關頻率一般小于10kHZ，而在實際工作的過程中，IGBT的通態損耗所占比重比較大，建議選擇低通態型IGBT。

(4)影響IGBT可靠性因素(1)柵電壓IGBT工作時，必須有正向柵電壓，常用的柵驅動電壓值為15～187，最高用到20V，而棚電壓與柵極電阻Rg有很大關系，在設計IGBT驅動電路時，參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設計合適驅動參數，保證合理正向柵電壓。因為IGBT的工作狀態與正向棚電壓有很大關系，正向柵電壓越高，開通損耗越小，正向壓降也咯小。

在橋式電路和大功率應用情況下，為了避免干擾，在IGBT關斷時，柵極加負電壓，一般在-5- 15V，保證IGBT的關斷，避免Miller效應影響。

(2)Miller效應為了降低Miller效應的影響，在IGBT柵驅動電路中采用改進措施：(1)開通和關斷采用不同柵電阻Rg,ON和Rg,off，確保IGBT的有效開通和關斷;(2)柵源間加電容c，對Miller效應產生的電壓進行能量泄放;(3)關斷時加負柵壓。在實際設計中，采用三者合理組合，對改進Mille r效應的效果更佳。

7.IGBT的應用

(IGBT最主要的作用就是高壓直流轉交流，以及變頻)

1、新能源汽車

IGBT是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件，在電動汽車中發揮著至關重要的作用，主要作用于電動車汽車的充電樁、電動控制系統以及車載空調控制系統。

(1)電動控制系統

作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆變后汽車電機的驅動;

(2)車載空調控制系統

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關元件使用;

2、智能電網

智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端均需使用IGBT。