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一、 什么是 IGBT？

IGBT 是“Insulated Gate Bipolar Transistor”的首字母縮寫，中文名稱是“絕緣柵雙極晶體管”。IGBT 是由 MOSFET 和雙極晶體管組成的復(fù)合器件，是同時具備這兩種產(chǎn)品優(yōu)點的功率晶體管。IGBT 有 N 溝道型和 P 溝道型兩種，目前N 溝道型是主流產(chǎn)品。

下圖 1 是 N 溝道 IGBT 的電路圖符號及其等效電路。有些等效電路圖會更詳細一些，但這里為了便于理解，給出的是相對簡單的示意圖。包括結(jié)構(gòu)在內(nèi)，實際的產(chǎn)品會更復(fù)雜一些。有關(guān)結(jié)構(gòu)等的詳細內(nèi)容后續(xù)會進行介紹。

 

IGBT具有柵極、集電極、發(fā)射極 3個引腳。柵極與MOSFET相同，集電極和發(fā)射極與雙極晶體管相同。在 N 溝道型的情況下，IGBT 與 MOSFET 一樣，通過電壓控制元件給柵極施加相對于發(fā)射極的正電壓時，集電極-發(fā)射極之間導(dǎo)通，流過集電極電流。其工作原理和驅(qū)動方法會另行介紹。

前面已經(jīng)介紹過，IGBT 是兼?zhèn)?MOSFET 和雙極晶體管優(yōu)點的晶體管。MOSFET 由于柵極是被隔離（絕緣）的，因此具有輸入阻抗高、開關(guān)速度較快的優(yōu)點，但其缺點是在高電壓時導(dǎo)通電阻較高。雙極晶體管即使在高電壓條件下導(dǎo)通電阻也很低，但存在輸入阻抗低和開關(guān)速度慢的缺點。而 IGBT 則是彌補了這兩種器件各自的缺點的晶體管，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快*、即使在高電壓條件下也能實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的特點。

*開關(guān)速度比 MOSFET 慢，但比雙極晶體管快。

IGBT 和 MOSFET 等功率器件根據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品的使用條件和需求，物善其用，比如在高電壓應(yīng)用中使用 IGBT，在低電壓應(yīng)用中則使用 MOSFET，被區(qū)分使用在與其特性相適合的應(yīng)用中。

二、 IGBT 的適用范圍

IGBT 和 MOSFET 等功率元器件應(yīng)根據(jù)其特點物善其用。此外，功率器件除了以器件單品（分立半導(dǎo)體）的形式使用外，將器件與其他基本部件組合在一起的“模塊”應(yīng)用范圍也很廣泛。下圖 2 是從輸出容量和工作（開關(guān)）頻率的角度出發(fā)繪制的 IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET 和雙極晶體管的適用范圍。另外，還對分立產(chǎn)品和模塊的適用范圍進行了區(qū)分。

 

IGBT 分立產(chǎn)品覆蓋 1kHz～50、60kHz 的頻率范圍、稍高于 1kVA 的輸出容量范圍。對于 IGBT 模塊而言，根據(jù)與其他部件的組合等情況，工作頻率上限程度相同，但輸出容量范圍可高達 100MVA 以上。隨著輸出容量的增加，工作頻率會因為開關(guān)損耗等的限制而降低。通過這張圖，應(yīng)該可以對每種功率器件的特點和適用范圍有一個整體印象。

三、 使用了 IGBT 的應(yīng)用產(chǎn)品

從 IGBT 和其他功率器件的輸出容量和工作頻率的角度介紹了它們各自的適用范圍。本章將介紹 IGBT的適用范圍和應(yīng)用產(chǎn)品之間的關(guān)系。

下圖 3 從輸出容量和工作頻率的角度，列出了 IGBT 分立產(chǎn)品和模塊及 Si MOSFET 分立產(chǎn)品的適用范圍，以及在適用范圍內(nèi)的適用應(yīng)用產(chǎn)品示例。適用范圍與第 2 章中給出的范圍是一樣的，圖中列出了相應(yīng)范圍內(nèi)的具體應(yīng)用產(chǎn)品。

 

從圖中可以看出，有些應(yīng)用產(chǎn)品在重疊范圍中，但在處理高電壓大電流的電車和 HEV/EV 領(lǐng)域，主流產(chǎn)品還是 IGBT模塊。分立式 IGBT 和 Si MOSFET 在家電和小型工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用中的需求很大，主要根據(jù)工作頻率方面的優(yōu)點來區(qū)分使用。

四、 IGBT 的結(jié)構(gòu)

IGBT 是由 MOSFET 和雙極晶體管組成的復(fù)合器件，是同時具備這兩種產(chǎn)品優(yōu)點的功率晶體管。下面以目前主流的 N 溝道 IGBT 為例，來介紹 IGBT的基本結(jié)構(gòu)。這之后只用“IGBT”描述的基本上都是指 N 溝道 IGBT。

為了便于理解 IGBT 半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，下圖4 帶我們回顧一下電路圖符號、簡單的等效電路以及 IGBT 的基本工作。

 

IGBT 具有柵極、集電極、發(fā)射極 3 個引腳?？梢哉J為，其柵極與 MOSFET 的柵極相同，其集電極和發(fā)射極與雙極晶體管相同。在 N 溝道 IGBT 的情況下，IGBT 與 MOSFET一樣，通過電壓控制元件給柵極施加相對于發(fā)射極的正電壓 VGE 時，集電極-發(fā)射極之間導(dǎo)通，流過集電極電流 IC。

下圖 5 是 IGBT 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖（截面圖）和等效電路圖。為便于理解而進行了簡化。藍色箭頭表示集電極電流 IC 的流動情況。可以與旁邊的等效電路圖比較來看。

如上圖 5 所示，在 Nch MOSFET 的漏極側(cè)形成了 P+集電極層，從集電極到發(fā)射極是 P 型-N 型-P 型-N 型排列的結(jié)構(gòu)。

等效電路圖中的 Nch MOSFET 的漏極和 PNP 晶體管的基極都相當(dāng)于 IGBT 的 N-漂移層。柵極是絕緣膜上的薄膜布線，Nch MOSFET 的柵極=IGBT 的柵極。IGBT 的發(fā)射極為 N+層，相當(dāng)于 Nch MOSFET 的源極。PNP 晶體管的集電極為 P+，與 IGBT 的發(fā)射極 N+層相連接。PNP 晶體管的發(fā)射極是 P+層，相當(dāng)于 IGBT 的集電極。雖然這些聽起來有些復(fù)雜，但是如果將IGBT的結(jié)構(gòu)用示意圖體現(xiàn)出來，就很容易理解其等效電路圖了。

五、 IGBT 的工作原理

下圖 6 中的等效電路和結(jié)構(gòu)截面圖就是說明 IGBT的工作原理。

當(dāng)向發(fā)射極施加正的集電極電壓 VCE，同時向發(fā)射極施加正的柵極電壓 VGE 時，IGBT 變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間導(dǎo)通，流過集電極電流 IC。

將這個動作對應(yīng)于等效電路時，即當(dāng)施加正 VGE 時，Nch MOSFET 導(dǎo)通，這會使基極電流 IB 流過 PNP 晶體管，最終，PNP 晶體管導(dǎo)通，從而使 IC 從 IGBT 的集電極流向發(fā)射極。

結(jié)構(gòu)截面圖中顯示了內(nèi)部電子和空穴（電洞）的運動情況。當(dāng)向柵極施加正 VGE 時，電子?聚集在柵極電極正下方的P+層中并形成溝道。這與 MOSFET 導(dǎo)通的原理基本相同。

因此，從 IGBT 的發(fā)射極供給的電子沿 N+層⇒溝道⇒ N-漂移層 ⇒ P+集電極層的方向移動。而空穴（電洞）⊕則由P+集電極層注入 N-漂移層。該層之所以被稱為“漂移層”，是因為電子和空穴兩者的載流子都會移動。也就是說，電子從發(fā)射極向集電極的移動意味著電流（IC）從集電極流向發(fā)射極。

六、 IGBT 的特點：與 MOSFET 和雙極晶體管的比較

在需要功率晶體管的應(yīng)用中，需要了解每種功率晶體管（例如 IGBT、MOSFET、雙極晶體管）的優(yōu)缺點之后再區(qū)分使用?，F(xiàn)將每種功率晶體管的特點總結(jié)如下：

●MOSFET 的特點

MOSFET 是由電壓驅(qū)動的，輸入阻抗較高，因此控制時消耗的功耗較少。另外，由于是電子或空穴一種載流子的單極晶體管，所以具有開關(guān)速度快的優(yōu)點。但是，與雙極晶體管不同的是，不能利用電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)（Webster 效應(yīng)），因此存在導(dǎo)通電阻隨電壓增加而增加的缺點。

●雙極晶體管的特點

雙極晶體管具有耐壓高且導(dǎo)通電阻*低的優(yōu)點。雙極晶體管具有可利用電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)抑制壓降的特點。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)是在晶體管工作過程中空穴和電子一起移動，空穴注入到N-層，從而使其電阻減小。此外，由于雙極晶體管會進行電流放大工作，因此允許流過比所施加電流更大的電流。缺點是輸入阻抗低，控制時所消耗的功耗大，而且由于使用 的 是 兩 種 極 性 的 載 流 子 ， 所 以 開 關(guān) 速 度 較 慢 。 *參數(shù)為“飽和電壓”。

●IGBT 的特點

IGBT 是輸入部分為 MOSFET 結(jié)構(gòu)、輸出部分為雙極結(jié)構(gòu)的復(fù)合型器件，同時具備 MOSFET 和雙極晶體管兩者的優(yōu)點。其輸入阻抗高，可以用小功率驅(qū)動，并且可以將電流放大為大電流。此外，即使在高電壓條件下，導(dǎo)通電阻*也可保持在較低水平。其開關(guān)速度不如 MOSFET 快，但比雙極晶體管要快。 *參數(shù)為“飽和電壓”。

如果對 IGBT、MOSFET 和雙極晶體管進行比較，IGBT 具有耐壓高、損耗低、速度較快等優(yōu)點。但每種晶體管都有其優(yōu)點，所以基本上還是需要根據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品的需求來區(qū)分使用。

七、 在電機應(yīng)用中區(qū)分使用功率器件

如前所述，每種功率元器件都有其各自的特點，通常需要根據(jù)目標應(yīng)用及其所需特性和性能等來區(qū)分使用。本章將

介 紹 如 何 在 電 機 應(yīng) 用 中 正 確 地 區(qū) 分 使 用 IGBT 、 Si MOSFET 和 SiC MOSFET。

下圖 7 根據(jù)不同功率器件的特點列出了不同工作頻率和輸出容量（VA）下的適用范圍。對 IGBT、Si MOSFET 和 SiC MOSFET 的分立產(chǎn)品覆蓋的區(qū)域進行比較后，可以匯總?cè)缦?。?dāng)然，由于每種功率元器件都是多樣化的，所以這里是基于通常的概括性特點進行匯總的。

① 在 IGBT 與 Si MOSFET 的比較中，IGBT 覆蓋輸出容量大的低頻區(qū)域，Si MOSFET 覆蓋輸出容量小的高頻區(qū)域。

② 在 IGBT 與 SiC MOSFET 的比較中，SiC MOSFET 覆蓋輸出容量大的高頻區(qū)域。

③ Si MOSFET 與 SiC MOSFET 覆蓋的頻率范圍相同，但Si MOSFET 覆蓋低輸出容量區(qū)域，而 SiC MOSFET 則

覆蓋高輸出容量區(qū)域。

下表 2 更具體地列出了這些特點，并給出了在電機應(yīng)用中區(qū)分使用功率器件時的要點。從正確區(qū)分使用的角度來看，不同條件下的損耗差異是非常重要的。損耗分導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗來考慮。下面提到的 IGBT、SiC MOSFET、Si MOSFET 都是指分立產(chǎn)品，而“+SBD”和“+FRD”則表示給相應(yīng)晶體管外置了所述二極管的情況。

在導(dǎo)通損耗方面，如果流過的電流約在 5A 以下的范圍，Si MOSFET 優(yōu)于 IGBT，但在 5A 以上時 IGBT 表現(xiàn)更出色。該電流區(qū)域未被 SiC MOSFET 覆蓋，因此通常從 IGBT 和Si MOSFET 中做選擇。Si MOSFET 在以小電流運行的系統(tǒng)中占優(yōu)勢，比如家用空調(diào)的室外機等以輕負載正常穩(wěn)定運行占比多的應(yīng)用。這也與上述①中的 IGBT 和 Si MOSFET 的覆蓋范圍比較結(jié)果一致。

在開關(guān)損耗方面，在 IGBT＋FRD（快恢復(fù)二極管）和 SiC MOSFET＋SBD（肖特基勢壘二極管）之間的比較中，PWM 頻率（開關(guān)頻率）越快，SiC MOSFET＋SBD 越具優(yōu)勢，與上述②中的比較結(jié)果一致。這是由于受IGBT+FRD的特點——導(dǎo)通時的反向恢復(fù)電流和關(guān)斷時的尾電流的影響。SiC MOSFET＋SBD 因其不會流過尾電流而使開關(guān)損耗得以顯著改善。

但是，對于電機應(yīng)用而言，普通的電機多在 20kHz 以下的較低頻率下使用，加上 SiC MOSFET 在成本方面不占優(yōu)勢，所以目前 SiC MOSFET 多在特殊應(yīng)用中使用。在當(dāng)今的電機應(yīng)用中，考慮到性能、損耗和成本之間的平衡，IGBT是主流。

綜上所述，我們了解了每種功率器件的特點，并探討了成本等情況，對于具體應(yīng)用而言，最終還是需要根據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品的需求選擇合適的產(chǎn)品。在包括逆變器在內(nèi)的電機驅(qū)動應(yīng)用中，除了上述示例中的“IGBT 分立器件+FRD”之外，被廣泛使用的還有適用于電機應(yīng)用的 FRD 內(nèi)置型 IGBT 分立器件和 IGBT IPM（智能功率模塊）。

八、 IGBT 的短路耐受時間（SCWT）

IGBT 等功率器件具有稱為“短路耐受時間（SCWT：Short Circuit Withstand Time）”的電氣特性（參數(shù)）。通常，在功率元器件處于短路狀態(tài)時，會流過大電流并在短時間內(nèi)造成元器件損壞，但短路耐受時間意味著在發(fā)生短路時，可以承受而不至于損壞的時間，也稱之為“允許的短路時間”。

功率器件短路，比如 IGBT，是指在集電極和發(fā)射極之間被施加了高電壓（VCC）的狀態(tài)下 IGBT 導(dǎo)通，并且在已導(dǎo)通的 IGBT 中流過很大的集電極電流 IC 的狀態(tài)。這可能是由控制電路故障或某種誤動作引起的。

為了幫助我們理解這種短路，在下圖 8 中給出了測量短路耐受時間時的基本電路和波形示例。當(dāng)將 VCC 施加在關(guān)斷狀態(tài)的 IGBT 上、通過柵極驅(qū)動電路使 IGBT 導(dǎo)通時，電容器中積蓄的電荷會突然流入 IGBT，經(jīng)過一定時間后會導(dǎo)致 IGBT 損壞。到損壞所用的時間因 VCC 電壓、溫度、封裝類型等因素而異，大致為數(shù) μs～數(shù)十 μs。在試驗中，通過控制柵極驅(qū)動電路并逐漸增加導(dǎo)通時間來確認器件是否損壞，并重復(fù)此操作來測量直到損壞所用的時間?；蛘撸梢酝ㄟ^確認產(chǎn)品在規(guī)定的導(dǎo)通時間內(nèi)沒有損壞來做出合格與否的判斷。

 

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上圖 8 波形圖中的產(chǎn)品是 ROHM 的 IGBT RGS 系列，最短的短路耐受時間為 8μs。當(dāng) IGBT 根據(jù)柵極信號導(dǎo)通（短路）時，會流過集電極電流；當(dāng)它在 13.5μs 后根據(jù)柵極信號關(guān)斷時，集電極電流被切斷，這個 IGBT 并沒有損壞，這證明在這個測試條件下，這款 IGBT 能夠承受 13.5μs 的短路時間。當(dāng)然，8μs 的保證值是有余量的。集電極電壓在短路和關(guān)斷后會在短時間內(nèi)下降和上升，這取決于電容器到 IGTB 的集電極引腳之間的寄生電感的充電和放電，之后集電極電壓會恢復(fù)至 VCC。受發(fā)熱的影響，集電極電流會隨著時間的經(jīng)過而減少。

如果在短路過程中 IGBT 損壞，基本上初期會發(fā)生短路故障，所以電流會幾乎沒有限制地持續(xù)流過 IGBT，集電極電壓=VCC 將下降到幾乎接地水平。當(dāng)然，即使向柵極發(fā)送關(guān)斷信號，也不會關(guān)斷 IGBT 并切斷集電極電流。在試驗或評估過程中 IGBT 損壞的情況下，如果不及時切斷電流，可能會因過電流而發(fā)熱，甚至冒煙，在某些情況下還可能會起火，很危險。因此，必須采取足夠的安全對策，比如為 VCC（電源）設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娏飨拗啤?/span>

短路耐受時間的重要性

短路耐受時間是保護功率器件、外圍電路和所連接元器件的重要參數(shù)。使用功率器件的電路中通常都配有針對過電流等風(fēng)險的保護電路。當(dāng)功率器件處于短路狀態(tài)時，保護電路會檢測出這種狀態(tài)并執(zhí)行保護工作，但是從檢測出來到啟動保護工作之間需要 MCU 系統(tǒng)處理等時間，如果這個時間足夠長，就可以進行切實可靠的處理。也就是說，短路耐受時間是確保系統(tǒng)保護功能啟動所需的時間，該時間越長，系統(tǒng)處理的余量就越大，從而有助于提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

綜上所述，短路耐受時間是一項重要的參數(shù)，但并非所有的功率器件都會提供或保證該值。根據(jù)等級和應(yīng)用的不同，有些產(chǎn)品沒有提供，有些提供了但只是典型值（Typ.），并不是保證值，還有些則明確提供了保證值，所以在使用前需要確認技術(shù)規(guī)格書。

此外，短路耐受時間越長越有優(yōu)勢，但保證值會因制造商和產(chǎn)品系列而異。比如前面提到的 RGS 系列 IGBT ，保證值為 8μs（最小值），而另一個 RGT 系列的保證值則為5μs（最小值）。另外，由于 VCC 和溫度條件各不相同，因此不僅要確認值，還要確認條件，這點也很重要。作為實際示例，可以來查看一下鏈接中的這些 IGBT 的技術(shù)規(guī)格書。參數(shù)名稱：短路耐受時間（Short Circuit Withstand Time），符號：用 tSC 表示條件和保證值。

九、 內(nèi)置快恢復(fù)二極管（FRD）的 IGBT

IGBT 的產(chǎn)品陣容中包括內(nèi)置了快恢復(fù)二極管（以下簡稱“FRD”）的產(chǎn)品類型。在使用 IGBT 的逆變器和電機驅(qū)動應(yīng)用中，二極管也會被用作開關(guān)期間產(chǎn)生的反向電流的路徑。這種二極管稱為“續(xù)流二極管”，通常使用“FRD”。針對將IGBT 和 FRD 配套使用的應(yīng)用，有內(nèi)置 FRD 的 IGBT 可用。

內(nèi)置 FRD 的 IGBT，會在其技術(shù)規(guī)格書中標明內(nèi)置 FRD，通常，其引腳排列圖中會如下圖 9 所示標明內(nèi)置有 FRD。另外，除了 IGBT 的規(guī)格之外，技術(shù)規(guī)格書中還會提供內(nèi)置FRD 的規(guī)格。

 

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由于不需要外接 FRD，因此內(nèi)置 FRD 的優(yōu)點包括可減少元器件數(shù)量和安裝面積，并提高可靠性。

內(nèi)置于 IGBT 中的 FRD 的反向恢復(fù)特性和振鈴

在逆變器和電機驅(qū)動應(yīng)用中，續(xù)流二極管需要具備的重要特性之一是高速，即反向恢復(fù)時間 trr 短。正如第 7 章“在電機應(yīng)用中區(qū)分使用功率器件”中所述，開關(guān)時的開通損耗受反向恢復(fù)電流的影響很大，因此需要使用具有高速 trr 特性的 FRD 來降低損耗。也就是說，內(nèi)置于 IGBT 中的 FRD也需要具備高速 trr 特性。

另一個關(guān)鍵要點是內(nèi)置 FRD 的振鈴問題。對于 FRD 而言，trr 速度快意味著反向恢復(fù)電流急劇收斂，所以會發(fā)生振鈴（噪聲），而這從 EMC 的角度看就成了問題。因此，要求FRD 的反向恢復(fù)特性需要具有 trr 短且可柔和地收斂的特點。有這種考慮的產(chǎn)品稱為“軟恢復(fù)型”FRD。

作為示例，在下圖 10 中對內(nèi)置軟恢復(fù)型 FRD 的 RGS 系列和 RGT 系列 IGBT 與內(nèi)置普通 FRD 的 IGBT 之間的 FRD反向恢復(fù)特性進行了比較。

從上圖中可以看出，RGS 系列和 RGT 系列的內(nèi)置 FRD，即使在 di/dt=1000A/μs 的高速開關(guān)條件下，盡管反向恢復(fù)電流的收斂速度很快也可以實現(xiàn)軟恢復(fù)，即使在 Tj=125℃的高溫條件下，也沒有發(fā)生振鈴。而普通產(chǎn)品則發(fā)生了很大的振鈴。

雖然內(nèi)置 FRD 的 IGBT 用起來非常方便，但還是需要仔細確認其內(nèi)置 FRD 的反向恢復(fù)特性，這是非常關(guān)鍵的要點，因為在處理高電壓和大電流的系統(tǒng)中發(fā)生的振鈴和浪涌很大，對 EMC 的影響也很大。

總結(jié)

本文章中介紹了 IGBT 的基礎(chǔ)知識，包括基于 IGBT 特點的適用范圍和應(yīng)用示例、IGBT 的結(jié)構(gòu)和工作原理、與其他功率晶體管的比較、在電機應(yīng)用中的區(qū)分使用、重要的參數(shù)“短路耐受時間”以及 FRD 內(nèi)置型 IGBT 的反向恢復(fù)特性等內(nèi)容。除了 IGBT 外，還介紹了其他各種功率器件的特點。在實際應(yīng)用中，根據(jù)應(yīng)用需求區(qū)分使用這些產(chǎn)品是很重要的。