必看！IGBT基础知识汇总！

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2023-03-25 03:02:31 729

1. IGBT是什么？

IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由（BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有（MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（GTR）的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；（因为Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN结材料和厚度有关））MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。（因为MOS管有Rds，如果Ids比较大，就会导致Vds很大）

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT*主要的作用就是把高压直流变为交流，以及变频。（所以用在电动车上比较多）

2. IGBT的工作原理

忽略复杂的半导体物理推导过程，下面是简化后的工作原理。

IGBT有N沟道型和P沟道型两种，主流的N沟道IGBT的电路图符号及其等效电路如下：

所以整个过程就很简单：
当栅极G为高电平时，NMOS导通，所以PNP的CE也导通，电流从CE流过。
当栅极G为低电平时，NMOS截止，所以PNP的CE截止，没有电流流过。

IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。

3. IGBT的优缺点

优点：

1、具有更高的电压和电流处理能力。

2、极高的输入阻抗。

3、可以使用非常低的电压切换非常高的电流。4、电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。

5、栅极驱动电路简单且*，降低了栅极驱动的要求

6、通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。

7、具有非常低的导通电阻。

8、具有高电流密度，使其能够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 更高的开关速度。

11、可以使用低控制电压切换高电流电平。12、双极性质，增强了传导性。

13、安全可靠。

缺点：

1、开关速度低于 MOS管。

2、因为是单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。

3、不能阻挡更高的反向电压。

4、比 BJT 和 MOS管价格更高。

5、类似于晶闸管的P-N-P-N结构，因此它存在锁存问题

4. IGBT的主要参数

（1）集电极-发射极额定电压UCES是IGBT在截止状态下集电极与发射极之间能够承受的*大电压，一般UCES小于或等于器件的雪崩击穿电压。

（2）栅极-发射极额定电压UGE是IGBT栅极与发射极之间允许施加的*大电压，通常为20V。栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，其电压不可超过UGE。

（3）集电极额定电流IC是IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的*大电流。

（4）集电极-发射极饱和电压UCE是IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降。该值越小，则管子的功率损耗越小。

（5）开关频率在IGBT的使用说明书中，开关频率是以开通时间tON、下降时间t1和关断时间tOFF给出的，根据这些参数可估算出IGBT的开关频率，一般可达30～40kHz。在变频器中，实际使用的载波频率大多在15kHz以下。

5. IGBT的静态特性曲线

IGBT静态特性曲线包括转移特性曲线和输出特性曲线：其中左侧用于表示IC-VGE关系的曲线叫做转移特性曲线，右侧表示IC-VCE关系的曲线叫做输出特性曲线。

（1）转移特性曲线

IGBT的转移特性曲线是指输出集电极电流IC与栅极-发射极电压VGE之间的关系曲线。

为了便于理解，这里我们可通过分析MOSFET来理解IGBT的转移特性。

当VGS=0V时，源极S和漏极D之间相当于存在两个背靠背的pn结，因此不论漏极-源极电压VDS之间加多大或什么极性的电压，总有一个pn结处于反偏状态，漏、源极间没有导电沟道，器件无法导通，漏极电流ID为N+PN+管的漏电流，接近于0。

当0，栅极电压增加，栅极G和衬底p间的绝缘层中产生电场，使得少量电子聚集在栅氧下表面，但由于数量有限，沟道电阻仍然很大，无法形成有效沟道，漏极电流ID仍然约为0。

当VGS≥VGS（th）时，栅极G和衬底p间电场增强，可吸引更多的电子，使得衬底P区反型，沟道形成，漏极和源极之间电阻大大降低。此时，如果漏源之间施加一偏置电压，MOSFET会进入导通状态。在大部分漏极电流范围内ID与VGS成线性关系，如下图所示。

这里MOSFET的栅源电压VGS类似于IGBT的栅射电压VGE，漏极电流ID类似于IGBT的集电极电流IC。IGBT中，当VGE≥VGE（th）时，IGBT表面形成沟道，器件导通。

（2）输出特性曲线

IGBT的输出特性通常表示的是以栅极-发射极电压VGE为参变量时，漏极电流IC和集电极-发射极电压VCE之间的关系曲线。

由于IGBT可等效理解为MOSFET和PNP的复合结构，它的输出特性曲线与MOSFET强相关，因此这里我们依旧以MOSFET为例来讲解其输出特性。

其中当VDS>0且较小时，ID随着VDS的增大而增大，这部分区域在MOSFET中称为可变电阻区，在IGBT中称为非饱和区；

当VDS继续增大，ID-VDS的斜率逐渐减小为0时，该部分区域在MOSFET中称为恒流区，在IGBT中称为饱和区；

当VDS增加到雪崩击穿时，该区域在MOSFET和IGBT中都称为击穿区。

IGBT的栅极-发射极电压VGE类似于MOSFET的栅极-源极电压VGS，集电极电流IC类似于漏极电流ID，集电极-发射极电压VCE类似于漏源电压VDS。

MOSFET与IGBT在线性区之间存在差异（红框所标位置）。

这主要是由于IGBT在导通初期，发射极P+/N-结需要约为0.7V的电压降使得该结从零偏转变为正偏所导致的。

6. IGBT如何选型

（1）IGBT额定电压的选择三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的*大值：在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。

（2）IGBT额定电流的选择以30kW变频器为例，负载电流约为79A，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流，择*大负载电流约为119A ，建议选择150A电流等级的IGBT。

（3）IGBT开关参数的选择变频器的开关频率一般小于10kHZ，而在实际工作的过程中，IGBT的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型IGBT。

（4）影响IGBT可靠性因素（1）栅电压IGBT工作时，必须有正向栅电压，常用的栅驱动电压值为15～187，*高用到20V，而棚电压与栅极电阻Rg有很大关系，在设计IGBT驱动电路时，参考IGBT Datasheet中的额定Rg值，设计合适驱动参数，保证合理正向栅电压。因为IGBT的工作状态与正向棚电压有很大关系，正向栅电压越高，开通损耗越小，正向压降也咯小。

在桥式电路和大功率应用情况下，为了避免干扰，在IGBT关断时，栅极加负电压，一般在-5- 15V，保证IGBT的关断，避免Miller效应影响。

（2）Miller效应为了降低Miller效应的影响，在IGBT栅驱动电路中采用改进措施：(1)开通和关断采用不同栅电阻Rg,ON和Rg,off，确保IGBT的有效开通和关断;(2)栅源间加电容c，对Miller效应产生的电压进行能量泄放;(3)关断时加负栅压。在实际设计中，采用三者合理组合，对改进Mille r效应的效果更佳。

7.IGBT的应用

（IGBT*主要的作用就是高压直流转交流，以及变频）

1、新能源汽车

IGBT是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件，在电动汽车中发挥着至关重要的作用，主要作用于电动车汽车的充电桩、电动控制系统以及车载空调控制系统。
（1）电动控制系统
作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆变后汽车电机的驱动；
（2）车载空调控制系统
作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆变；
（3）充电桩
智能充电桩中被作为开关元件使用；

2、智能电网

智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端均需使用IGBT。
（1）发电端
风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需使用IGBT。
（2）输电端
特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需大量使用IGBT。
（3）变电端
IGBT是电力电子变压器的关键器件。
（4）用电端
家用白电、微波炉、LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。