1.IGBT是什麽(me) ？

IGBT，絕緣柵雙極型晶體(ti) 管，是由（BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應管（MOS）組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體(ti) 器件, 兼有（MOSFET）金氧半場效晶體(ti) 管的高輸入阻抗和電力晶體(ti) 管（GTR）的低導通壓降兩(liang) 方麵的優(you) 點。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；（因為(wei) Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN結材料和厚度有關(guan) ））MOSFET驅動功率很小，開關(guan) 速度快，但導通壓降大，載流密度小。（因為(wei) MOS管有Rds，如果Ids比較大，就會(hui) 導致Vds很大）IGBT綜合了以上兩(liang) 種器件的優(you) 點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於(yu) 直流電壓為(wei) 600V及以上的變流係統如交流電機、變頻器、開關(guan) 電源、照明電路、牽引傳(chuan) 動等領域。IGBT最主要的作用就是把高壓直流變為(wei) 交流，以及變頻。（所以用在電動車上比較多）

 

2.IGBT的工作原理

忽略複雜的半導體(ti) 物理推導過程，下麵是簡化後的工作原理。

IGBT有N溝道型和P溝道型兩(liang) 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(ge) 過程就很簡單：

當柵極G為(wei) 高電平時，NMOS導通，所以PNP的CE也導通，電流從(cong) CE流過。

當柵極G為(wei) 低電平時，NMOS截止，所以PNP的CE截止，沒有電流流過。IGBT的等效電路符號如下：

 

IGBT與(yu) MOSFET不同，內(nei) 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複二極管。

IGBT內(nei) 部結構

為(wei) 了更好了解IGBT,下麵我們(men) 再來看看它的內(nei) 部結構：一般，IGBT 有三個(ge) 端子：集電極、發射極和柵極，他們(men) 都是附有金屬層。但是，柵極端子上的金屬材料具有二氧化矽層。IGBT結構其實就相當於(yu) 是一個(ge) 四層半導體(ti) 的器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體(ti) 管來實現的，它們(men) 構成了 P-N-P-N 排列。如下圖所示，小編簡單繪製了一下IGBT的一個(ge) 內(nei) 部結構。

3.IGBT的優(you) 缺點優(you) 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、電壓控製裝置，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(guan) 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(guan) 速度。11、可以使用低控製電壓切換高電流電平。12、雙極性質，增強了傳(chuan) 導性。13、安全可靠。缺點：1、開關(guan) 速度低於(yu) MOS管。2、因為(wei) 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(jia) 格更高。5、類似於(yu) 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(yu) 發射極之間能夠承受的最大電壓，一般UCES小於(yu) 或等於(yu) 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(yu) 發射極之間允許施加的最大電壓，通常為(wei) 20V。柵極的電壓信號控製IGBT的導通和關(guan) 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(yu) 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(guan) 頻率在IGBT的使用說明書(shu) 中，開關(guan) 頻率是以開通時間tON、下降時間t1和關(guan) 斷時間tOFF給出的，根據這些參數可估算出IGBT的開關(guan) 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。

6.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(ce) 用於(yu) 表示IC-VGE關(guan) 係的曲線叫做轉移特性曲線，右側(ce) 表示IC-VCE關(guan) 係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(yu) 柵極-發射極電壓VGE之間的關(guan) 係曲線。為(wei) 了便於(yu) 理解，這裏我們(men) 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之間相當於(yu) 存在兩(liang) 個(ge) 背靠背的pn結，因此不論漏極-源極電壓VDS之間加多大或什麽(me) 極性的電壓，總有一個(ge) pn結處於(yu) 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(wei) N+PN+管的漏電流，接近於(yu) 0。當0<VGS<VGS（th）時，柵極電壓增加，柵極G和襯底p間的絕緣層中產(chan) 生電場，使得少量電子聚集在柵氧下表麵，但由於(yu) 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(wei) 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(hui) 進入導通狀態。在大部分漏極電流範圍內(nei) ID與(yu) VGS成線性關(guan) 係，如下圖所示。

 

這裏MOSFET的柵源電壓VGS類似於(yu) IGBT的柵射電壓VGE，漏極電流ID類似於(yu) IGBT的集電極電流IC。IGBT中，當VGE≥VGE（th）時，IGBT表麵形成溝道，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(wei) 參變量時，漏極電流IC和集電極-發射極電壓VCE之間的關(guan) 係曲線。由於(yu) IGBT可等效理解為(wei) MOSFET和PNP的複合結構，它的輸出特性曲線與(yu) MOSFET強相關(guan) ，因此這裏我們(men) 依舊以MOSFET為(wei) 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(wei) 可變電阻區，在IGBT中稱為(wei) 非飽和區；當VDS繼續增大，ID-VDS的斜率逐漸減小為(wei) 0時，該部分區域在MOSFET中稱為(wei) 恒流區，在IGBT中稱為(wei) 飽和區；當VDS增加到雪崩擊穿時，該區域在MOSFET和IGBT中都稱為(wei) 擊穿區。IGBT的柵極-發射極電壓VGE類似於(yu) MOSFET的柵極-源極電壓VGS，集電極電流IC類似於(yu) 漏極電流ID，集電極-發射極電壓VCE類似於(yu) 漏源電壓VDS。MOSFET與(yu) IGBT在線性區之間存在差異（紅框所標位置）。

 

這主要是由於(yu) IGBT在導通初期，發射極P+/N-結需要約為(wei) 0.7V的電壓降使得該結從(cong) 零偏轉變為(wei) 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後，直流母線電壓的最大值：在開關(guan) 工作的條件下，IGBT的額定電壓一般要求高於(yu) 直流母線電壓的兩(liang) 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(wei) 例，負載電流約為(wei) 79A，由於(yu) 負載電氣啟動或加速時，電流過載，一般要求1分鍾的時間內(nei) ，承受1.5倍的過流，擇最大負載電流約為(wei) 119A ，建議選擇150A電流等級的IGBT。（3）IGBT開關(guan) 參數的選擇變頻器的開關(guan) 頻率一般小於(yu) 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(wei) 15～187，最高用到20V， 而棚電壓與(yu) 柵極電阻Rg有很大關(guan) 係，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(wei) IGBT的工作狀態與(yu) 正向棚電壓有很大關(guan) 係，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(wei) 了避免幹擾，在IGBT關(guan) 斷時，柵極加負電壓，一般在-5- 15V，保證IGBT的關(guan) 斷，避免Miller效應影響。（2）Miller效應為(wei) 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(guan) 斷采用不同柵電阻Rg,ON和Rg,off，確保IGBT的有效開通和關(guan) 斷;(2)柵源間加電容c，對Miller效應產(chan) 生的電壓進行能量泄放;(3)關(guan) 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，在新能源汽車，智能電網和軌道交通等領域有廣泛的應用。

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(guan) 重要的作用，主要作用於(yu) 電動車汽車的充電樁、電動控製係統以及車載空調控製係統。
（1）電動控製係統
作用於(yu) 大功率直流/交流(DC/AC)逆變後汽車電機的驅動；
（2）車載空調控製係統
作用於(yu) 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(wei) 開關(guan) 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。
（1）發電端
風力發電、光伏發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柔性輸電技術需大量使用IGBT。
（3）變電端
IGBT是電力電子變壓器的關(guan) 鍵器件。
（4）用電端
家用白電、 微波爐、LED照明驅動等都對IGBT有大量的需求。

3、軌道交通

眾(zhong) 所周知，交流傳(chuan) 動技術是現代軌道交通的核心技術之一，在交流傳(chuan) 動係統中牽引變流器是關(guan) 鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一，可以說該器件已成為(wei) 軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。