 在解决“节能化”和“小型化”等全球面临的共同课题过程中，旨在以低功耗处理大功率的二极管和晶体管正在发挥着重要的作用，它们被统称为“功率器件”或“功率半导体”。其中，“IGBT”这种“绝缘栅双极晶体管”是具有代表性的功率器件之一，被广泛应用于包括电机驱动在内的众多领域。 在本文中，将介绍 IGBT 的基础知识，包括基于 IGBT 特点的适用范围和应用示意图、结构和工作原理、以及与其他功率器件的比较和区分使用等内容。一、 什么是 IGBT？ IGBT 是“Insulated Gate Bipolar Transistor”的首字母缩写，中文名称是“绝缘栅双极晶体管”。IGBT 是由 MOSFET 和双极晶体管组成的复合器件，是同时具备这两种产品优点的功率晶体管。IGBT 有 N 沟道型和 P 沟道型两种，目前N 沟道型是主流产品。 下图 1 是 N 沟道 IGBT 的电路图符号及其等效电路。有些等效电路图会更详细一些，但这里为了便于理解，给出的是相对简单的示意图。包括结构在内，实际的产品会更复杂一些。有关结构等的详细内容后续会进行介绍。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） IGBT具有栅极、集电极、发射极 3个引脚。栅极与MOSFET相同，集电极和发射极与双极晶体管相同。在 N 沟道型的情况下，IGBT 与 MOSFET 一样，通过电压控制元件给栅极施加相对于发射极的正电压时，集电极-发射极之间导通，流过集电极电流。其工作原理和驱动方法会另行介绍。 前面已经介绍过，IGBT 是兼备 MOSFET 和双极晶体管优点的晶体管。MOSFET 由于栅极是被隔离（绝缘）的，因此具有输入阻抗高、开关速度较快的优点，但其缺点是在高电压时导通电阻较高。双极晶体管即使在高电压条件下导通电阻也很低，但存在输入阻抗低和开关速度慢的缺点。而 IGBT 则是弥补了这两种器件各自的缺点的晶体管，具有输入阻抗高、开关速度快*、即使在高电压条件下也能实现低导通电阻的特点。 *开关速度比 MOSFET 慢，但比双极晶体管快。 IGBT 和 MOSFET 等功率器件根据应用产品的使用条件和需求，物善其用，比如在高电压应用中使用 IGBT，在低电压应用中则使用 MOSFET，被区分使用在与其特性相适合的应用中。 二、 IGBT 的适用范围 IGBT 和 MOSFET 等功率元器件应根据其特点物善其用。此外，功率器件除了以器件单品（分立半导体）的形式使用外，将器件与其他基本部件组合在一起的“模块”应用范围也很广泛。下图 2 是从输出容量和工作（开关）频率的角度出发绘制的 IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET 和双极晶体管的适用范围。另外，还对分立产品和模块的适用范围进行了区分。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） IGBT 分立产品覆盖 1kHz～50、60kHz 的频率范围、稍高于 1kVA 的输出容量范围。对于 IGBT 模块而言，根据与其他部件的组合等情况，工作频率上限程度相同，但输出容量范围可高达 100MVA 以上。随着输出容量的增加，工作频率会因为开关损耗等的限制而降低。通过这张图，应该可以对每种功率器件的特点和适用范围有一个整体印象。 三、 使用了 IGBT 的应用产品 从 IGBT 和其他功率器件的输出容量和工作频率的角度介绍了它们各自的适用范围。本章将介绍 IGBT的适用范围和应用产品之间的关系。 下图 3 从输出容量和工作频率的角度，列出了 IGBT 分立产品和模块及 Si MOSFET 分立产品的适用范围，以及在适用范围内的适用应用产品示例。适用范围与第 2 章中给出的范围是一样的，图中列出了相应范围内的具体应用产品。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） 从图中可以看出，有些应用产品在重叠范围中，但在处理高电压大电流的电车和 HEV/EV 领域，主流产品还是 IGBT模块。分立式 IGBT 和 Si MOSFET 在家电和小型工业设备等应用中的需求很大，主要根据工作频率方面的优点来区分使用。 四、 IGBT 的结构 IGBT 是由 MOSFET 和双极晶体管组成的复合器件，是同时具备这两种产品优点的功率晶体管。下面以目前主流的 N 沟道 IGBT 为例，来介绍 IGBT的基本结构。这之后只用“IGBT”描述的基本上都是指 N 沟道 IGBT。 为了便于理解 IGBT 半导体的结构，下图4 带我们回顾一下电路图符号、简单的等效电路以及 IGBT 的基本工作。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） IGBT 具有栅极、集电极、发射极 3 个引脚。可以认为，其栅极与 MOSFET 的栅极相同，其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，通过电压控制元件给栅极施加相对于发射极的正电压 VGE 时，集电极-发射极之间导通，流过集电极电流 IC。 下图 5 是 IGBT 半导体结构示意图（截面图）和等效电路图。为便于理解而进行了简化。蓝色箭头表示集电极电流 IC 的流动情况。可以与旁边的等效电路图比较来看。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） 如上图 5 所示，在 Nch MOSFET 的漏极侧形成了 P+集电极层，从集电极到发射极是 P 型-N 型-P 型-N 型排列的结构。 等效电路图中的 Nch MOSFET 的漏极和 PNP 晶体管的基极都相当于 IGBT 的 N-漂移层。栅极是绝缘膜上的薄膜布线，Nch MOSFET 的栅极=IGBT 的栅极。IGBT 的发射极为 N+层，相当于 Nch MOSFET 的源极。PNP 晶体管的集电极为 P+，与 IGBT 的发射极 N+层相连接。PNP 晶体管的发射极是 P+层，相当于 IGBT 的集电极。虽然这些听起来有些复杂，但是如果将IGBT的结构用示意图体现出来，就很容易理解其等效电路图了。 五、 IGBT 的工作原理 下图 6 中的等效电路和结构截面图就是说明 IGBT的工作原理。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） 当向发射极施加正的集电极电压 VCE，同时向发射极施加正的栅极电压 VGE 时，IGBT 变为导通状态，集电极和发射极之间导通，流过集电极电流 IC。 将这个动作对应于等效电路时，即当施加正 VGE 时，Nch MOSFET 导通，这会使基极电流 IB 流过 PNP 晶体管，最终，PNP 晶体管导通，从而使 IC 从 IGBT 的集电极流向发射极。 结构截面图中显示了内部电子和空穴（电洞）的运动情况。当向栅极施加正 VGE 时，电子⊖聚集在栅极电极正下方的P+层中并形成沟道。这与 MOSFET 导通的原理基本相同。 因此，从 IGBT 的发射极供给的电子沿 N+层⇒沟道⇒ N-漂移层 ⇒ P+集电极层的方向移动。而空穴（电洞）⊕则由P+集电极层注入 N-漂移层。该层之所以被称为“漂移层”，是因为电子和空穴两者的载流子都会移动。也就是说，电子从发射极向集电极的移动意味着电流（IC）从集电极流向发射极。 六、 IGBT 的特点：与 MOSFET 和双极晶体管的比较 在需要功率晶体管的应用中，需要了解每种功率晶体管（例如 IGBT、MOSFET、双极晶体管）的优缺点之后再区分使用。现将每种功率晶体管的特点总结如下：  添加图片注释，不超过 140 字（可选） ●MOSFET 的特点 MOSFET 是由电压驱动的，输入阻抗较高，因此控制时消耗的功耗较少。另外，由于是电子或空穴一种载流子的单极晶体管，所以具有开关速度快的优点。但是，与双极晶体管不同的是，不能利用电导调制效应（Webster 效应），因此存在导通电阻随电压增加而增加的缺点。 ●双极晶体管的特点 双极晶体管具有耐压高且导通电阻*低的优点。双极晶体管具有可利用电导调制效应抑制压降的特点。电导调制效应是在晶体管工作过程中空穴和电子一起移动，空穴注入到N-层，从而使其电阻减小。此外，由于双极晶体管会进行电流放大工作，因此允许流过比所施加电流更大的电流。缺点是输入阻抗低，控制时所消耗的功耗大，而且由于使用 的 是 两 种 极 性 的 载 流 子 ， 所 以 开 关 速 度 较 慢 。 *参数为“饱和电压”。 ●IGBT 的特点 IGBT 是输入部分为 MOSFET 结构、输出部分为双极结构的复合型器件，同时具备 MOSFET 和双极晶体管两者的优点。其输入阻抗高，可以用小功率驱动，并且可以将电流放大为大电流。此外，即使在高电压条件下，导通电阻*也可保持在较低水平。其开关速度不如 MOSFET 快，但比双极晶体管要快。 *参数为“饱和电压”。 如果对 IGBT、MOSFET 和双极晶体管进行比较，IGBT 具有耐压高、损耗低、速度较快等优点。但每种晶体管都有其优点，所以基本上还是需要根据应用产品的需求来区分使用。 七、 在电机应用中区分使用功率器件 如前所述，每种功率元器件都有其各自的特点，通常需要根据目标应用及其所需特性和性能等来区分使用。本章将 介 绍 如 何 在 电 机 应 用 中 正 确 地 区 分 使 用 IGBT 、 Si MOSFET 和 SiC MOSFET。 下图 7 根据不同功率器件的特点列出了不同工作频率和输出容量（VA）下的适用范围。对 IGBT、Si MOSFET 和 SiC MOSFET 的分立产品覆盖的区域进行比较后，可以汇总如下。当然，由于每种功率元器件都是多样化的，所以这里是基于通常的概括性特点进行汇总的。 ① 在 IGBT 与 Si MOSFET 的比较中，IGBT 覆盖输出容量大的低频区域，Si MOSFET 覆盖输出容量小的高频区域。 ② 在 IGBT 与 SiC MOSFET 的比较中，SiC MOSFET 覆盖输出容量大的高频区域。 ③ Si MOSFET 与 SiC MOSFET 覆盖的频率范围相同，但Si MOSFET 覆盖低输出容量区域，而 SiC MOSFET 则 覆盖高输出容量区域。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） 下表 2 更具体地列出了这些特点，并给出了在电机应用中区分使用功率器件时的要点。从正确区分使用的角度来看，不同条件下的损耗差异是非常重要的。损耗分导通损耗和开关损耗来考虑。下面提到的 IGBT、SiC MOSFET、Si MOSFET 都是指分立产品，而“+SBD”和“+FRD”则表示给相应晶体管外置了所述二极管的情况。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） 在导通损耗方面，如果流过的电流约在 5A 以下的范围，Si MOSFET 优于 IGBT，但在 5A 以上时 IGBT 表现更出色。该电流区域未被 SiC MOSFET 覆盖，因此通常从 IGBT 和Si MOSFET 中做选择。Si MOSFET 在以小电流运行的系统中占优势，比如家用空调的室外机等以轻负载正常稳定运行占比多的应用。这也与上述①中的 IGBT 和 Si MOSFET 的覆盖范围比较结果一致。 在开关损耗方面，在 IGBT＋FRD（快恢复二极管）和 SiC MOSFET＋SBD（肖特基势垒二极管）之间的比较中，PWM 频率（开关频率）越快，SiC MOSFET＋SBD 越具优势，与上述②中的比较结果一致。这是由于受IGBT+FRD的特点——导通时的反向恢复电流和关断时的尾电流的影响。SiC MOSFET＋SBD 因其不会流过尾电流而使开关损耗得以显著改善。 但是，对于电机应用而言，普通的电机多在 20kHz 以下的较低频率下使用，加上 SiC MOSFET 在成本方面不占优势，所以目前 SiC MOSFET 多在特殊应用中使用。在当今的电机应用中，考虑到性能、损耗和成本之间的平衡，IGBT是主流。 综上所述，我们了解了每种功率器件的特点，并探讨了成本等情况，对于具体应用而言，最终还是需要根据应用产品的需求选择合适的产品。在包括逆变器在内的电机驱动应用中，除了上述示例中的“IGBT 分立器件+FRD”之外，被广泛使用的还有适用于电机应用的 FRD 内置型 IGBT 分立器件和 IGBT IPM（智能功率模块）。 八、 IGBT 的短路耐受时间（SCWT） IGBT 等功率器件具有称为“短路耐受时间（SCWT：Short Circuit Withstand Time）”的电气特性（参数）。通常，在功率元器件处于短路状态时，会流过大电流并在短时间内造成元器件损坏，但短路耐受时间意味着在发生短路时，可以承受而不至于损坏的时间，也称之为“允许的短路时间”。 功率器件短路，比如 IGBT，是指在集电极和发射极之间被施加了高电压（VCC）的状态下 IGBT 导通，并且在已导通的 IGBT 中流过很大的集电极电流 IC 的状态。这可能是由控制电路故障或某种误动作引起的。 为了帮助我们理解这种短路，在下图 8 中给出了测量短路耐受时间时的基本电路和波形示例。当将 VCC 施加在关断状态的 IGBT 上、通过栅极驱动电路使 IGBT 导通时，电容器中积蓄的电荷会突然流入 IGBT，经过一定时间后会导致 IGBT 损坏。到损坏所用的时间因 VCC 电压、温度、封装类型等因素而异，大致为数 μs～数十 μs。在试验中，通过控制栅极驱动电路并逐渐增加导通时间来确认器件是否损坏，并重复此操作来测量直到损坏所用的时间。或者，可以通过确认产品在规定的导通时间内没有损坏来做出合格与否的判断。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） 上图 8 波形图中的产品是 ROHM 的 IGBT RGS 系列，最短的短路耐受时间为 8μs。当 IGBT 根据栅极信号导通（短路）时，会流过集电极电流；当它在 13.5μs 后根据栅极信号关断时，集电极电流被切断，这个 IGBT 并没有损坏，这证明在这个测试条件下，这款 IGBT 能够承受 13.5μs 的短路时间。当然，8μs 的保证值是有余量的。集电极电压在短路和关断后会在短时间内下降和上升，这取决于电容器到 IGTB 的集电极引脚之间的寄生电感的充电和放电，之后集电极电压会恢复至 VCC。受发热的影响，集电极电流会随着时间的经过而减少。 如果在短路过程中 IGBT 损坏，基本上初期会发生短路故障，所以电流会几乎没有限制地持续流过 IGBT，集电极电压=VCC 将下降到几乎接地水平。当然，即使向栅极发送关断信号，也不会关断 IGBT 并切断集电极电流。在试验或评估过程中 IGBT 损坏的情况下，如果不及时切断电流，可能会因过电流而发热，甚至冒烟，在某些情况下还可能会起火，很危险。因此，必须采取足够的安全对策，比如为 VCC（电源）设置适当的电流限制。 短路耐受时间的重要性 短路耐受时间是保护功率器件、外围电路和所连接元器件的重要参数。使用功率器件的电路中通常都配有针对过电流等风险的保护电路。当功率器件处于短路状态时，保护电路会检测出这种状态并执行保护工作，但是从检测出来到启动保护工作之间需要 MCU 系统处理等时间，如果这个时间足够长，就可以进行切实可靠的处理。也就是说，短路耐受时间是确保系统保护功能启动所需的时间，该时间越长，系统处理的余量就越大，从而有助于提高系统的可靠性和安全性。 综上所述，短路耐受时间是一项重要的参数，但并非所有的功率器件都会提供或保证该值。根据等级和应用的不同，有些产品没有提供，有些提供了但只是典型值（Typ.），并不是保证值，还有些则明确提供了保证值，所以在使用前需要确认技术规格书。 此外，短路耐受时间越长越有优势，但保证值会因制造商和产品系列而异。比如前面提到的 RGS 系列 IGBT ，保证值为 8μs（最小值），而另一个 RGT 系列的保证值则为5μs（最小值）。另外，由于 VCC 和温度条件各不相同，因此不仅要确认值，还要确认条件，这点也很重要。作为实际示例，可以来查看一下链接中的这些 IGBT 的技术规格书。参数名称：短路耐受时间（Short Circuit Withstand Time），符号：用 tSC 表示条件和保证值。 九、 内置快恢复二极管（FRD）的 IGBT IGBT 的产品阵容中包括内置了快恢复二极管（以下简称“FRD”）的产品类型。在使用 IGBT 的逆变器和电机驱动应用中，二极管也会被用作开关期间产生的反向电流的路径。这种二极管称为“续流二极管”，通常使用“FRD”。针对将IGBT 和 FRD 配套使用的应用，有内置 FRD 的 IGBT 可用。 内置 FRD 的 IGBT，会在其技术规格书中标明内置 FRD，通常，其引脚排列图中会如下图 9 所示标明内置有 FRD。另外，除了 IGBT 的规格之外，技术规格书中还会提供内置FRD 的规格。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） 由于不需要外接 FRD，因此内置 FRD 的优点包括可减少元器件数量和安装面积，并提高可靠性。 内置于 IGBT 中的 FRD 的反向恢复特性和振铃 在逆变器和电机驱动应用中，续流二极管需要具备的重要特性之一是高速，即反向恢复时间 trr 短。正如第 7 章“在电机应用中区分使用功率器件”中所述，开关时的开通损耗受反向恢复电流的影响很大，因此需要使用具有高速 trr 特性的 FRD 来降低损耗。也就是说，内置于 IGBT 中的 FRD也需要具备高速 trr 特性。 另一个关键要点是内置 FRD 的振铃问题。对于 FRD 而言，trr 速度快意味着反向恢复电流急剧收敛，所以会发生振铃（噪声），而这从 EMC 的角度看就成了问题。因此，要求FRD 的反向恢复特性需要具有 trr 短且可柔和地收敛的特点。有这种考虑的产品称为“软恢复型”FRD。 作为示例，在下图 10 中对内置软恢复型 FRD 的 RGS 系列和 RGT 系列 IGBT 与内置普通 FRD 的 IGBT 之间的 FRD反向恢复特性进行了比较。  添加图片注释，不超过 140 字（可选） 从上图中可以看出，RGS 系列和 RGT 系列的内置 FRD，即使在 di/dt=1000A/μs 的高速开关条件下，尽管反向恢复电流的收敛速度很快也可以实现软恢复，即使在 Tj=125℃的高温条件下，也没有发生振铃。而普通产品则发生了很大的振铃。 虽然内置 FRD 的 IGBT 用起来非常方便，但还是需要仔细确认其内置 FRD 的反向恢复特性，这是非常关键的要点，因为在处理高电压和大电流的系统中发生的振铃和浪涌很大，对 EMC 的影响也很大。 总结 本文章中介绍了 IGBT 的基础知识，包括基于 IGBT 特点的适用范围和应用示例、IGBT 的结构和工作原理、与其他功率晶体管的比较、在电机应用中的区分使用、重要的参数“短路耐受时间”以及 FRD 内置型 IGBT 的反向恢复特性等内容。除了 IGBT 外，还介绍了其他各种功率器件的特点。在实际应用中，根据应用需求区分使用这些产品是很重要的。 当然，本文中的内容只是基础知识，在实际使用 IGBT 前，还需要了解 IGBT 的每种特性及其处理大功率相关的知识。因此，结合技术规格书和应用指南等资料，在实际应用设备中确认各种功率器件特有的表现及其对策变得越来越重要。除此之外，近年来仿真工具日益普及，制造商会提供包括器件模型和基本电路在内的仿真模型，可以一并使用。 |
