IGBT全面解析：一文带你走进电力电子世界

IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。三大特点就是高压、大电流、高速。它是电力电子领域非常理想的开关器件。

IGBT定义

IGBT，绝缘栅双极晶体管(Insolated Gat Bipolar Transistor,IGBT)，它是由BJT（双极性三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

电力半导体器分类

不可控器件:不能用控制信号来控制其通断,因此不需要驱动电路,此类器件只有整流作用,包括普通功率二极管、快恢复二极管和、肖特基二极管。

半控型器件: 控制导通不能控制关断。它包括普通晶闸管及其派生的特殊器件,如逆导晶闸管等。

全控型器件: 控制其导通、关断,又称为自关断器件。例：双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、静电感应晶闸管等。

电流驱动型: 通过从控制端注入或者抽出电流来实现对器件的导通或者关断的控制。例如三极管BJT等。

电压型驱动:通过在控制端和公共端之间的电压信号来实现对器件导通或者关断的控制。例如IGBT等。

IGBT由BJT（双极性三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）复合而成

BJT（Bipolar Junction Transistor）: 双极性晶体管（晶体三极管），“双极性”是指工作时有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电。

场效应管（FET）：利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称为单极型晶体管。

绝缘栅型场效应管（IGFET）：栅极-源极，栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）

IGBT发展历史

回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变

器件纵向结构（非穿通型(NPT)结构→拥有缓冲层的穿通型(PT)结构→场终止型、软穿通型结构）

栅极结构（平面栅结构→垂直于芯片表面的沟槽型结构）

硅片的加工工艺（外延生长技术→区熔硅单晶）

IGBT工作原理

IGBT的开通和关断是由栅-射极电压UGE控制,当UGE正向且大于开启电压UGE（th）时,MOSFET内部形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,使得IGBT导通。在栅极加零或负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶中的基极电流被切断,IGBT被关断。

IGBT的作用

IGBT是一种功率晶体管，运用此种晶体设计之UPS可有效提升产品效能，使电源品质好、效率高、热损耗少、噪音低、体积小与产品寿命长等多种优点。

IGBT主要用于变频器逆变和其他逆变电路。将直流电压逆变成频率可调的交流电。它有阴极，阳极，和控制极。关断的时候其阻抗是非常大的基本是断路，接通的时候存在很小的电阻，通过接通或断开控制极来控制阴极和阳极之间的接通和关断。

影响IGBT可靠性因素

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有很大关系，正向栅电压越高，开通损耗越小，正向压降也越小。

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Miller效应的效果更佳。

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