IGBT(絕緣柵雙極晶體管)作為一種高效能的功率半導(dǎo)體元件，在能源轉(zhuǎn)換和控制領(lǐng)域的作用日益凸顯。作為能量轉(zhuǎn)換與管理的核心，IGBT結(jié)合了MOSFET的輸入阻抗高和GTR的低飽和壓降的特點，其獨特的工作原理使其在高頻、高效率、高電流環(huán)境下具有卓越表現(xiàn)。IGBT廣泛應(yīng)用于電動汽車、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、光伏逆變器、工業(yè)驅(qū)動以及家用電器等眾多領(lǐng)域。
與傳統(tǒng)的晶體管相比，IGBT在承受高壓和管理大電流方面具備明顯優(yōu)勢，而且開關(guān)損耗低，可靠性高，動態(tài)性能好，這些優(yōu)點使其在逆變、調(diào)頻和調(diào)壓等需要高速開關(guān)的應(yīng)用中占有不可替代的地位，跟隨下文我們來詳細(xì)介紹一下何為IGBT。
IGBT，中文名稱叫作絕緣柵雙極性晶體管，是一種集成了金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極型晶體管(BJT)特性的半導(dǎo)體器件。它包含四個主要的區(qū)域：發(fā)射區(qū)(P+)，集電區(qū)(N-)，漂移區(qū)(N+)和柵極區(qū)(P)。這些區(qū)域共同構(gòu)成了一個PNPN的疊層結(jié)構(gòu)。IGBT的基本結(jié)構(gòu)可以看作是一個垂直流通的器件，電流垂直于晶片表面流動，而不是像MOSFET那樣水平流動。
在這個結(jié)構(gòu)中，最頂層的P+區(qū)和最底層的N+區(qū)分別充當(dāng)發(fā)射極和集電極。中間的N-區(qū)域則是漂移區(qū)，用于承受高電壓。而柵極是通過絕緣層與N-區(qū)隔絕的，當(dāng)柵極上施加正偏壓時，可以在N-區(qū)和P底部之間形成一個導(dǎo)電的N型溝道。
材料組成方面，IGBT主要采用硅(Si)作為半導(dǎo)體材料。硅具有成本低廉和加工容易的優(yōu)點，且其電學(xué)特性適合于大功率應(yīng)用。然而，隨著技術(shù)發(fā)展，碳化硅(SiC)等寬帶隙材料因其在高溫、高頻和高電壓下的良好表現(xiàn)而開始被應(yīng)用于IGBT的制造中。這些新型材料的引入使得IGBT的性能有了進(jìn)一步的提升。
設(shè)計特點上，IGBT通過在MOSFET的輸入部分與BJT的輸出部分之間進(jìn)行匹配設(shè)計，充分利用了MOSFET高輸入阻抗和BJT低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點。此外，為了提高設(shè)備的可靠性和壽命，IGBT通常會設(shè)計有復(fù)雜的控制和保護電路。這些電路能夠確保IGBT在不同的工作條件下，如過熱、過壓或短路等異常狀態(tài)時能夠快速響應(yīng)，從而保護IGBT不受損壞。
IGBT的工作原理涉及到場效應(yīng)和雙極導(dǎo)電兩種機制。以下部分將詳細(xì)解釋IGBT如何實現(xiàn)開關(guān)功能，以及導(dǎo)通與截止過程的內(nèi)部物理動作。
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(yīng)管(MOS)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)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(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。
GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;(因為Vbe=0.7V,而Ic可以很大(跟PN結(jié)材料和厚度有關(guān)))MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。(因為MOS管有Rds，如果Ids比較大，就會導(dǎo)致Vds很大)
IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動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、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
IGBT最主要的作用就是把高壓直流變?yōu)榻涣鳎约白冾l(所以用在電動車上比較多)。
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(dāng)柵極G為高電平時，NMOS導(dǎo)通，所以PNP的CE也導(dǎo)通，電流從CE流過。
當(dāng)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(nèi)部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中(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
優(yōu)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(qū)動電路簡單且便宜，降低了柵極驅(qū)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(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)，增強了傳導(dǎo)性。
13、安全可靠。
缺點：
1、開關(guān)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(jié)構(gòu)，因此它存在鎖存問題
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。柵極的電壓信號控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，其電壓不可超過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、開關(guān)頻率在IGBT的使用說明書中，開關(guān)頻率是以開通時間tON、下降時間t1和關(guān)斷時間tOFF給出的，根據(jù)這些參數(shù)可估算出IGBT的開關(guān)頻率，一般可達(dá)30～40kHz。在變頻器中，實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，這里我們可通過分析MOSFET來理解IGBT的轉(zhuǎn)移特性。
當(dāng)VGS=0V時，源極S和漏極D之間相當(dāng)于存在兩個背靠背的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pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏、源極間沒有導(dǎo)電溝道，器件無法導(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，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，無法形成有效溝道，漏極電流ID仍然約為0。
當(dāng)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(qū)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(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(dāng)VGE≥VGE(th)時，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，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強相關(guān)，因此這里我們依舊以MOSFET為例來講解其輸出特性。
其中當(dāng)VDS>0且較小時，ID隨著VDS的增大而增大，這部分區(qū)域在MOSFET中稱為可變電阻區(qū)，在IGBT中稱為非飽和區(qū);
當(dāng)VDS繼續(xù)增大，ID-VDS的斜率逐漸減小為0時，該部分區(qū)域在MOSFET中稱為恒流區(qū)，在IGBT中稱為飽和區(qū);
當(dāng)VDS增加到雪崩擊穿時，該區(qū)域在MOSFET和IGBT中都稱為擊穿區(qū)。
IGBT的柵極-發(fā)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(fā)射極電壓VCE類似于漏源電壓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)過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開關(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，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(fù)載電流約為79A，由于負(fù)載電氣啟動或加速時，電流過載，一般要求1分鐘的時間內(nèi)，承受1.5倍的過流，擇最大負(fù)載電流約為119A ，建議選擇150A電流等級的IGBT。
3、IGBT開關(guān)參數(shù)的選擇變頻器的開關(guān)頻率一般小于10kHZ，而在實際工作的過程中，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，必須有正向柵電壓，常用的柵驅(qū)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(guān)系，在設(shè)計IGBT驅(qū)動電路時， 參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設(shè)計合適驅(qū)動參數(shù)，保證合理正向柵電壓。https://www.dgdqw.com/wenku/rd/dianzi/因為IGBT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，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)動電路中采用改進(jìn)措施：
①開通和關(guān)斷采用不同柵電阻Rg,ON和Rg,off，確保IGBT的有效開通和關(guān)斷;
②柵源間加電容c，對Miller效應(yīng)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行能量泄放;
③關(guān)斷時加負(fù)柵壓。在實際設(shè)計中，采用三者合理組合，對改進(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
IGBT是電動汽車及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件，在電動汽車中發(fā)揮著至關(guān)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(tǒng)以及車載空調(diào)控制系統(tǒng)。
(1)電動控制系統(tǒng)
作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆變后汽車電機的驅(qū)動;
(2)車載空調(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)動等都對IGBT有大量的需求。
3、軌道交通
眾所周知，交流傳動技術(shù)是現(xiàn)代軌道交通的核心技術(shù)之一，在交流傳動系統(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，可以說該器件已成為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。
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