IGBT（功率半导体）器件选型和应用

01 IGBT简介

IGBT是一种重要的功率半导体器件，全称为Insulated Gate Bipolar Transistor，中文全名为绝缘栅双极晶体管，是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的功率半导体器件，集合了二者的优点，具有高电压承受能力和低开关损耗的特点。IGBT芯片在电力电子领域有着广泛的应用，成为现代电力控制系统中不可或缺的关键元件。

IGBT芯片的结构由NPN型双极晶体管和PNP型双极晶体管组成，中间通过绝缘栅层隔离。这种结构使得IGBT既具备了MOSFET的高输入阻抗和低驱动功率的优势，又拥有BJT的高电流承受能力和低导通压降的特点。IGBT芯片的控制端由绝缘栅极组成，可以通过控制栅极电压来控制IGBT的导通和截止。这种特性使得IGBT芯片在高压大电流的应用中具有重要的地位。

为了便于理解IGBT半导体的结构，我们首先来了解一下电路图符号、简单的等效电路以及IGBT的基本工作。

IGBT有栅极、集电极、发射极三个引脚，可以认为，栅极与MOSFET的栅极相同，集电极和发射极与双极晶体管相同。在N沟道IGBT的情况下，IGBT与MOSFET一样，通过电压控制元件相对于发射极在栅极施加正栅极电压VGE时，集电极-发射极之间导通，流过集电极电流IC。

02 IGBT工作原理

IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，它的简化等效电路如图(b)所示，图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。从该等效电路可以清楚地看出，IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为PNP型晶体管，MOSFET为N沟道场效应晶体管，所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT，其符号为N-IGBT。类似地还有P沟道IGBT，即P- IGBT。

IGBT工作原理是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。

03 IGBT如何选型

1 IGBT额定电压的选择

二相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。

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：

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;
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。

04 设计时的注意事项

由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。为此，必须对IGBT进行相关保护。一般我们从过流、过压、过热三方面进行IGBT保护电路设计。

1 过流保护

IGBT承受过电流的时间仅为几微秒，耐过流量小，因此使用IGBT首要注意的是过流保护。

IGBT的过流保护可分为两种情况 :

驱动电路中无保护功能；

驱动电路中设有保护功能。

对于第一种情况，我们可以在主电路中要设置过流检测器件，针对第二种情况，由于不同型号的混合驱动模块，其输出能力、开关速度与du/dt的承受能力不同，使用时要根据实际情况恰当选用。对于大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流保护则可以通过封锁驱动信号或者减小栅压来进行保护。

2 过压保护

过压保护则可以从以下几个方面进行：

尽可能减少电路中的杂散电感；
采用吸收回路；

吸收回路的作用是：当IGBT关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压；适当增大栅极电阻Rg。

3 过热保护

IGBT的过热保护一般是采用散热器(包括普通散热器与热管散热器)，并可进行强迫风冷。

4 总结

IGBT由于有集电极-栅极寄生电容的Miler ( 密勒效应）影响，能引起意外的电压尖峰损害，所以设计时应让栅极电路的阻抗足够低，以尽量消除其负面影响。

栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程及驱动脉冲的波形都有很大影响，设计时要综合考虑。

应用慢降栅压技术来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的dv/dt和Uce的峰值，达到短路保护的目的。

在工作电流较大的情况下，为了减小关断过电压，应尽量减小主电路的布线电感，吸收电容器应采用低感型。

5 IGBT的应用

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。

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；

车载空调控制系统

作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆变；
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。
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。
输电端
特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需大量使用IGBT。
变电端
IGBT是电力电子变压器的关键器件。
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。

3、轨道交通
众所周知，交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一，可以说该器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。

06 芯智云城推广物料品牌

华润微电子有限公司是拥有芯片设计、掩膜制造、晶圆制造、封装测试等全产业链一体化经营能力的IDM半导体企业，是中国本土具有重要影响力的综合性半导体企业，公司于2020年在科创板上市，股票简称“华润微”，股票代码：“688396”。公司产品聚焦于功率半导体和智能传感器，为客户提供系列化的半导体产品与服务，矢志成为世界领先的功率半导体和智能传感器产品与方案供应商。

华润微电子功率器件事业群（Power Device Business Group，简称PDBG）是华润微电子旗下全面负责功率器件设计、研发、制造与销售服务的业务单元。其下设有中低压MOS产品线，高压MOS产品线，IGBT产品线，特种器件产品线，模块产品线和汽车电子事业部。拥有CRMICRO、华晶两个功率器件自主品牌。

PDBG产品应用场景广泛，适配于消费电子、新能源、工业控制、汽车电子等众多领域。