了解這些 就可以搞懂 IGBT

絕緣柵雙極晶體管（IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種三端功率半導體器件，主要用作電子開關，在較新的器件中以結合高效和快速開關而聞名。IGBT通過在單個器件中組合用于控制輸入的隔離柵極FET和作為開關的雙極功率晶體管，將MOSFET的簡單柵極驅動特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結合。IGBT用于中到大功率應用，如開關電源、牽引電機控制和感應加熱。

圖1. IGBT 電路圖符號

01 IGBT特點

IGBT具有柵極、集電極、****極3個引腳。柵極與MOSFET相同，集電極和****極與雙極晶體管相同。IGBT與MOSFET一樣通過電壓控制端口，在N溝道型的情況下，對于****極而言，在柵極施加正電壓時，集電極-****極導通，流過集電極電流。我們將另行介紹其工作和驅動方法。

IGBT是結合了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點的晶體管。MOSFET由于柵極是隔離的，因此具有輸入阻抗高、開關速度較快的優(yōu)點，但缺點是在高電壓時導通電阻較高。雙極晶體管即使在高電壓條件下導通電阻也很低，但存在輸入阻抗低和開關速度慢的缺點。通過彌補這兩種器件各自的缺點，IGBT成為一種具有高輸入阻抗、開關速度快 (IGBT開關速度比MOSFET慢，但仍比雙極晶體管快。) ，即使在高電壓條件下也能實現(xiàn)低導通電阻的晶體管?！?/p>

02 IGBT 的工作原理

當向****極施加正的集電極電壓VCE，同時向****極施加正的柵極電壓VGE時，IGBT便能導通，集電極和****極導通，集電極電流IC流過。

圖2.   IGBT近似的等效電路

IGBT的等效電路如上圖所示。當柵極-****極（G-E）和集電極-****極（C-E）通路均發(fā)生正偏置時，N溝道MOSFET導通，導致漏極電流流動。該漏極電流也流向QPNP的基極并導致IGBT導通。由于QPNP的直流電流增益（α）非常小，因此幾乎整個****極電流（IE(pnp)）都作為基極電流（IB(pnp)）流動。但部分IE(pnp)會作為集電極電流（IC(pnp)）流動。IC(pnp)無法開啟QNPN，因為它繞過了QNPN基極和****極之間插入的RBE。

因此，IGBT的幾乎所有集電極電流都通過QPNP的****極-基極通路作為N溝道MOSFET的漏極電流流動。此時，空穴從QPNP的****極注入到N通道MOSFET的高電阻漂移層。這導致漂移層的電阻率（Rd(MOS））大大降低，從而降低了導通期間的導通電阻。這種現(xiàn)象稱為電導率調制。

關閉柵極（G）信號會導致N溝道MOSFET關斷，從而導致IGBT關斷。

03 安全工作區(qū)

在IGBT的規(guī)格書中，可能會看到安全工作區(qū)（SOA, Safe Operating Area），例如ROHM的 RGS30TSX2DHR 如下圖所示。這個安全工作區(qū)是指什么？

圖3. Rohm的RGS30TSX2DHR 安全工作區(qū) （圖片來源ROHM）

IGBT 的安全工作區(qū)（SOA）是使IGBT在不發(fā)生自損壞或性能沒有下降的情況下的工作電流和電壓條件。實際上，不僅需要在安全工作區(qū)內使用IGBT，還需對其所在區(qū)域實施溫度降額。安全工作區(qū)分為正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA, Forward Bias Safe Operating Area）和反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA, Reverse Bias Safe Operating Area）。

3.1 正向偏置安全工作區(qū)

正向偏置安全工作區(qū)定義了IGBT導通期間的可用電流和電壓條件。

圖4.  RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區(qū) （圖片來源ROHM）

上圖是RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區(qū)，可以根據具體情況分為4個領域，如下所述:

■ 受集電極最大額定電流限制的區(qū)域

■ 受集電極耗散限制的區(qū)域

■ 受二次擊穿限制的區(qū)域 (該區(qū)域會因器件設計而有所不同)

■ 受集電極-****極最大額定電壓限制的區(qū)域

3.2 反向偏置安全工作區(qū)

反向偏置安全工作區(qū)定義了IGBT關斷期間的可用電流和電壓條件。

圖5.   RGS30TSX2DHR 的反向偏置安全工作區(qū) （圖片來源ROHM）

上圖是RGS30TSX2DHR 的反向偏置SOA可以簡單分為2個有限區(qū)域，如下所述:

■ 受集電極最大額定電流值限制的區(qū)域

■ 受集電極-****極最大額定電壓限制的區(qū)域。

請注意，當設計的 VCE－IC工作軌跡偏離產品本身安全工作區(qū)時，產品可能會發(fā)生出現(xiàn)意外故障。因此，在設計電路時，在確定與擊穿容限相關的具體特性和電路常數時，必須密切注意耗散和其他性能問題。例如，反向偏置安全工作區(qū)具有溫度特性（在高溫下劣化），VCE－IC的工作軌跡根據柵極電阻Rg和柵極電壓VGE而變化。

因此，有必要在了解工作環(huán)境和關斷時的最小柵極電阻值后，才進行Rg和 VGE設計。

04 不同類型IGBT 產品

市場上有不同類型的 IGBT 產品，我們可以根據實際應用情況、安裝類型（例如通孔、面板安裝或表面安裝）來挑選。

IGBT單管

將MOSFET的簡單柵極驅動特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結合。

圖6. IXYS 的IXYH16N170C

IGBT模塊

由IGBT與二極管通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品 。封裝后的IGBT模塊可以直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上。IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點。

圖7.Infineon的 FZ800R12KE3

圖8. Infineon 的 IM241-L6T2B 智能功率模塊 (IPM)

總結

IGBT 是一種功率半導體器件，用于電子開關，控制和改變電流的大小頻率，是電能轉換及應用的核心芯片。由于篇幅有限，IGBT 涉及的技術內容、應用領域很廣，所以歡迎大家在文末交流分享，一起討論學習。

小編的話

歷經多年，作為功率器件的重要一脈，IGBT在高壓應用中的地位至今還沒有其他器件可以取代，在包括新能源逆變器、汽車和儲能等應用中更是方興未艾。本文的擇要介紹為之前對IGBT缺乏了解的小伙伴們提供了一個窗口和基礎，也打開了一個交流討論的契機。您對IGBT還有哪些方面的疑問？或者對相關內容有哪些想法和補充？