概述

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最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）

一、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。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）工程师在设计和选择IGBT时，会重点关注以下关键参数，以确保器件的性能、可靠性及效率满足应用需求：

二、电气参数

最大额定电压（Vce）：

定义：在正常工作条件下，IGBT能够承受的最大集电极-发射极电压。
重要性：超过此电压可能导致器件损坏。

最大额定电流（Ic）：

定义：在正常工作条件下，IGBT能够承受的最大集电极电流。
重要性：超过此电流可能导致器件过热或损坏。

饱和电压（Vcesat）：

定义：当IGBT导通时，其Vce的最小值。
重要性：饱和电压直接影响导通损耗，饱和电压越小，导通损耗越小，越利于大电流工作。

峰值反向电压：

定义：IGBT在关断状态下可以承受的最大反向电压。
重要性：此参数对于保护IGBT免受反向电压冲击至关重要。

三、动态性能参数

开关时间（ton、toff）：

定义：包括开通延时时间td_on、电流上升时间tr、关断延时时间td_off和电流下降时间tf。
重要性：开关时间决定了IGBT的开关速度，快速的开关速度有助于减少功率损耗和提高效率，但过快的开关速度可能会增加电压和电流的瞬态压降，导致器件损坏。

开关损耗（Eon、Eoff）：

定义：IGBT从导通到关断过程中的损耗和从关断到导通过程中的损耗。
重要性：开关损耗越小，越利于高频工作，减少总功耗。

栅极电阻（RGext、RGint）：

定义：包括外部栅极电阻RGext和内部栅极电阻RGint，影响IGBT的开关性能。
重要性：栅极电阻的大小影响开关速度，进而影响开关损耗。

寄生电容（Cies、Cres、Coss）：

定义：包括输入电容Cies、米勒电容Cres和输出电容Coss。
重要性：寄生电容影响IGBT的动态性能，如开关过程中的电压和电流变化。

四、热学参数

热阻（Rth）：

定义：表示IGBT芯片结温与外壳温度之间的热阻。
重要性：热阻越小，散热能力越强，有助于保持IGBT在较低的工作温度，提高其可靠性和寿命。

最高允许工作结温：

定义：IGBT可以安全工作的最高结温。
重要性：超过此温度可能导致器件性能下降或损坏。

五、其他重要参数

短路能力：

定义：IGBT在短路条件下可以承受的时间，不发生故障的时间。
重要性：短路耐受时间越长，IGBT的抗短路能力越强。

封装形式：

定义：如IGBT单管、IGBT模块、功率集成(IPM)等。
重要性：封装形式影响芯片的散热能力、电流分布、热阻性能、模块杂散电感、绝缘特性等。

功率：

定义：IGBT在正常工作条件下能够承受的最大功率。
重要性：超过此功率可能导致器件过热或损坏。

效率（η）：

定义：IGBT的效率是指输入功率与输出功率之间的比率，通常用百分比表示。
重要性：高效率有助于减少能源浪费，提高系统整体性能。

综上所述，IGBT工程师在设计和选择IGBT时，需要综合考虑上述多个参数，以确保IGBT的性能、可靠性及效率满足应用需求。

六、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，直流母线电压的最大值：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，择最大负载电流约为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，最高用到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。