以下內(nèi)容發(fā)表在「SysPro系統(tǒng)工程智庫」知識星球

- 關(guān)于IGBT的基礎(chǔ)概覽和應(yīng)用的指南

- 結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對相關(guān)信息做了系統(tǒng)性的梳理和整合，相關(guān)參考詳見文末

- 以下內(nèi)容僅供參考，具體內(nèi)容結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需要更改、拓展

- 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會在知識星球發(fā)布，歡迎學(xué)習(xí)交流（全文12,000字）

- 內(nèi)容有些多，分兩次發(fā)表

導(dǎo)語：IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），作為MOSFET和雙極晶體管的復(fù)合器件，是電動汽車動力系統(tǒng)的核心部件，以其高工作頻率、高電流性能和低開關(guān)損耗等特點(diǎn)，確保了電動汽車的穩(wěn)定性和安全性。它不僅是電力電子裝置中的"大腦"，精準(zhǔn)控制電能，還顯著提升了整車的能源效率和性能。

圖片來源：SysPro

今天將詳細(xì)探討IGBT的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適用范圍，以及與其他功率器件（如MOSFET和雙極晶體管）的比較，并通過實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品的分析，揭示IGBT在不同領(lǐng)域中的獨(dú)特優(yōu)勢。

主要回答的問題包括：IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理是什么？IGBT相較于其他功率器件有哪些獨(dú)特特點(diǎn)？IGBT的適用范圍及主要應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？以及在實(shí)際應(yīng)用中，如何根據(jù)具體需求選擇合適的IGBT產(chǎn)品或模塊？

圖片來源：Schaeffler, 混碳方案，上海車展拍攝

目錄

1. 什么是IGBT？

1.1 IGBT初識

1.2 IGBT = MOSFET+雙極晶體管？

2. IGBT與MOSFET的不同形式及其應(yīng)用范圍

3. IGBT適用范圍與應(yīng)用產(chǎn)品關(guān)系解析

4. IGBT基本結(jié)構(gòu)說明

5. IGBT工作原理解析(★)

6. 三胞胎的差異：IGBT、MOSFET、雙極晶體管(★)

PNP晶體管

MOSFET

IGBT

三者有什么關(guān)系呢?

7. 功率元器件在驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用關(guān)鍵(★)

7.1 從輸出能力和工作頻率看

7.2 從電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用的損耗要點(diǎn)看

8. IGBT的短路特性(★)

8.1 短路特性回顧

8.2 短路特性試驗(yàn)

8.3 短路特性結(jié)果分析

8.4 為什么短路特性是功率器件保護(hù)的關(guān)鍵？

9 IGBT產(chǎn)品陣容中的內(nèi)置快恢復(fù)二極管(★)

9.1 什么是內(nèi)置FRD?

9.2 為什么要內(nèi)置FRD？

9.3 電機(jī)驅(qū)動逆變器中FRD的關(guān)鍵特性

|SysPro備注：本篇節(jié)選，完整版在知識星球中發(fā)布(★)

01
什么是IGBT？1.1 IGBT初識

IGBT，全稱”Insulated Gate Bipolar Transistor“，中文名為”絕緣柵雙極晶體管“，是一種由MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）和雙極晶體管組成的復(fù)合器件。這種復(fù)合設(shè)計(jì)使得IGBT同時具備了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，成為了一種高性能的功率晶體管。|SysPro說明：至于為什么說具備了兩者優(yōu)點(diǎn)？請繼續(xù)往下看。

圖片來源：英飛凌

IGBT主要分為N溝道型和P溝道型兩種，其中N溝道型是目前市場上的主流產(chǎn)品，在N溝道型IGBT中，當(dāng)柵極相對于發(fā)射極施加正電壓時，與MOSFET類似，通過電壓控制使集電極與發(fā)射極之間導(dǎo)通，允許集電極電流流過。為了更直觀地理解IGBT的工作原理和結(jié)構(gòu)，我們可以參考下圖。下圖展示了N溝道IGBT的電路圖符號及其等效電路。在IGBT的等效電路中，我們可以看到其由柵極（G）、集電極（C）和發(fā)射極（E）三個主要電極組成。當(dāng)柵極電壓超過一定閾值時，IGBT開始導(dǎo)通，允許電流從集電極流向發(fā)射極。這一過程中，IGBT的導(dǎo)通壓降和開關(guān)速度等性能參數(shù)都發(fā)揮著重要作用。圖片來源：網(wǎng)絡(luò)此外，IGBT的優(yōu)越性能還體現(xiàn)在其高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、高電流密度和低導(dǎo)通壓降等方面。這些特點(diǎn)使得IGBT在高壓、大功率的應(yīng)用場合中表現(xiàn)出色，如電力傳動、新能源發(fā)電和軌道交通等領(lǐng)域。
|SysPro說明：關(guān)于IGBT的參數(shù)定義我們在之前的文章中已詳細(xì)說明過，這里不再贅述（點(diǎn)擊鏈接跳轉(zhuǎn)）：IGBT關(guān)鍵特性參數(shù)的應(yīng)用實(shí)踐指南 v3.0

圖片來源：SysPro

1.2 IGBT = MOSFET+雙極晶體管？

如上文所述，IGBT是一種集成了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合功率器件。它具備柵極、集電極、發(fā)射極三個引腳，其中柵極的設(shè)計(jì)與MOSFET相似，而集電極和發(fā)射極則與雙極晶體管保持一致。

IGBT之所以備受青睞，正是因?yàn)樗?/span>巧妙地結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)。

• MOSFET：因柵極絕緣而擁有高輸入阻抗和較快的開關(guān)速度，但在高電壓下導(dǎo)通電阻較高

雙極晶體管：雖能在高電壓下保持低導(dǎo)通電阻，卻面臨輸入阻抗低和開關(guān)速度慢的局限。IGBT則取長補(bǔ)短，既具備高輸入阻抗和相對快速的開關(guān)速度，又能在高電壓條件下實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。

在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT因其在高電壓應(yīng)用中的出色表現(xiàn)而備受青睞，而MOSFET則更適合低電壓環(huán)境。這些器件在各自擅長的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要作用，確保了電力電子系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

圖片來源：SysPro

02

IGBT與MOSFET的不同形式及其應(yīng)用范圍

IGBT和MOSFET等功率元器件，在電力電子領(lǐng)域應(yīng)根據(jù)其各自的特點(diǎn)進(jìn)行合理應(yīng)用，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。這些元器件不僅以單品（分立半導(dǎo)體）的形式被廣泛使用，而且，將元器件與其他基礎(chǔ)組件結(jié)合形成的“模塊”形式，也擁有極為廣泛的應(yīng)用范圍。

如下圖所示為英飛凌集成IGBT和SIC的HybridPACK Drive G2 module FS1150。

圖片來源：英飛凌

為了更直觀地展示這些功率元器件的應(yīng)用領(lǐng)域，我們可以參考下圖，從輸出容量和開關(guān)頻率兩個維度出發(fā)，繪制了IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET、雙極晶體管的適用范圍。我們可以清晰地看出：不同種類的功率元器件在不同條件下都有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖片來源：SysPro

具體而言：IGBT分立產(chǎn)品的工作頻率范圍在1kHz到60kHz的區(qū)間，同時其輸出容量也稍高于1kVA。而當(dāng)IGBT以模塊形式應(yīng)用時，盡管工作頻率的上限與分立產(chǎn)品相似，但其輸出容量卻可顯著提升，最高可達(dá)100MVA以上。值得注意的是，隨著輸出容量的增加，由于開關(guān)損耗等因素的制約，IGBT的工作頻率會相應(yīng)降低。

因此，在選擇和使用時，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和工作環(huán)境，合理選擇IGBT、MOSFET等元器件及其模塊形式，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效益。

圖片來源：Tech Web

03

IGBT適用范圍與應(yīng)用產(chǎn)品關(guān)系解析

下面我們接著聊聊：IGBT的適用范圍與其在實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品之間的關(guān)系。

為了更清晰地展示這一點(diǎn)，我們參考下圖，在02所述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，從輸出容量和工作頻率兩個維度出發(fā)，詳細(xì)列出了IGBT分立產(chǎn)品、IGBT模塊、Si MOSFET分立產(chǎn)品的適用范圍。從圖中可以讀出兩點(diǎn)信息：

1. 盡管某些應(yīng)用產(chǎn)品在多個器件的適用范圍內(nèi)存在重疊，但在處理高電壓、大電流的電車和混合動力/電動汽車領(lǐng)域，IGBT模塊仍然是主流產(chǎn)品。2.分立式IGBT和Si MOSFET在家電和小型工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用中有著廣泛的需求，這些領(lǐng)域主要根據(jù)工作頻率方面的優(yōu)勢來選擇使用哪種器件。

圖片來源：ROHM

總之，我們在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的功率器件。簡單概括：IGBT因其在高電壓、大電流條件下的穩(wěn)定性和可靠性而被選中；而Si MOSFET則因其較高的開關(guān)速度和較低的導(dǎo)通電阻而在需要高頻操作的應(yīng)用中被選中；此外，IGBT模塊相比分立器件，在大容量應(yīng)用場合下相比更具優(yōu)勢。

04

IGBT基本結(jié)構(gòu)說明（簡明易懂）

如上面所述，IGBT作為MOSFET和雙極晶體管的復(fù)合器件，N溝道IGBT以其出色的性能成為了市場的主流產(chǎn)品。為了更深入地理解IGBT半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)及其工作原理，我們可以借用下圖的IGBT的電路圖符號、等效電路，理解其如何通過柵極電壓控制集電極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對電流的有效控制的?

圖片來源：ROHM

在上面我們提到過：IGBT是一種集成了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合功率器件，可以簡單理解：IGBT =一個N溝道MOSFET+一個PNP晶體管。具體來講：

• IGBT的發(fā)射極和集電極，來自于PNP晶體管
• IGBT的柵極來自于MOSFET
• MOSFET的漏極與PNP晶體管的基極接在一起

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

在N溝道IGBT中，當(dāng)柵極相對于發(fā)射極施加正電壓VGE時，例如15V，IGBT的工作原理與MOSFET類似，MOSFET開通，那么PNP晶體管基極被拉低，集電極與發(fā)射極之間將導(dǎo)通，此時集電極電流IC會源源不斷地流向發(fā)射極。

為了更直觀地理解IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，我們可以參考下圖的IGBT半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖以及對應(yīng)的等效電路圖。圖中，藍(lán)色箭頭（->）表示集電極電流IC的流動方向，我們可以將其與旁邊的等效電路圖進(jìn)行對比，以更深入地理解IGBT的工作原理。

圖片來源：ROHM

如上圖所示，在N型溝道MOSFET的漏極一側(cè)有一層P+集電極層。從集電極至發(fā)射極，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出P型-N型-P型-N型的獨(dú)特排列。在等效電路圖中，我們站在IGBT的3個引腳視角理解下其結(jié)構(gòu)：：

• IGBT柵極：Nch MOSFET的柵極與IGBT的柵極完全等同，位于一層絕緣膜之上
• IGBT集電極：PNP 晶體管的發(fā)射極是 P+層，相當(dāng)于 IGBT 的集電極
• IGBT的N-漂移層：Nch MOSFET的漏極與PNP晶體管的基極等同，在功能上對應(yīng)于IGBT的N-漂移層
• IGBT發(fā)射極：Nch MOSFET的源極與PNP晶體管的發(fā)射極相連，在功能上對應(yīng)于IGBT地發(fā)射極N+層。

|SysPro說明：為了便于后續(xù)上述，補(bǔ)充說明下圖中N型Mosfet。Nch Mosfet，即N溝道金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）。結(jié)構(gòu)上：Nch Mosfet的主要結(jié)構(gòu)包括源極（Source）、漏極（Drain）、柵極（Gate）和襯底（或稱為主體，Body）。其中，源極和漏極位于N型半導(dǎo)體材料中，而柵極則通過一層薄氧化物絕緣層與溝道隔離。襯底通常是P型半導(dǎo)體，與源極相連或短接。

圖片來源：SysPro系統(tǒng)工程智庫

MOSFET工作原理：1. 柵極電壓控制：當(dāng)柵極電壓相對于源極為正時，柵極下方的氧化物絕緣層中的電場會吸引溝道中的電子，形成一層導(dǎo)電溝道。這個溝道允許源極和漏極之間的電流流動。2. 導(dǎo)通與截止：通過調(diào)整柵極電壓的大小，可以控制溝道的寬度和導(dǎo)電性，從而控制源極和漏極之間的電流。當(dāng)柵極電壓足夠高時，溝道完全導(dǎo)通，電流可以自由流動；當(dāng)柵極電壓降低時，溝道逐漸變窄，電流減??；當(dāng)柵極電壓低于某一閾值時，溝道關(guān)閉，電流被阻斷。

05

IGBT工作原理解析

(知識星球發(fā)布)

下面我們通過等效電路和結(jié)構(gòu)截面圖，直觀展示IGBT的工作原理。這兩張圖示相互補(bǔ)充，幫助我們深入理解IGBT如何工作...

06

三胞胎的差異：IGBT、MOSFET、雙極晶體管(知識星球發(fā)布)

聊到這里，可能有一些小伙伴已經(jīng)對IGBT、MOSFET、雙極晶體管的概念有所混淆。下面我們重點(diǎn)對這"三胞胎"做個補(bǔ)充解釋。之所以稱他們是"三胞胎"，主要是他們在結(jié)構(gòu)上和功能上有相似性，但是其基因又有所不同，且在電子電路中各有側(cè)重。

為了在不同應(yīng)用場景中做出合適的選擇，我們需要深的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)具體需求進(jìn)行區(qū)分使用。一張圖說明各類功率晶體管特征：...

PNP晶體管...MOSFET...
IGBT...三者有什么關(guān)系呢?...圖片來源：SysPro

07

功率元器件在驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用關(guān)鍵

(知識星球發(fā)布)

每種功率元器件都擁有其獨(dú)特的特點(diǎn)，因此，在選擇使用哪種元器件時，通常需要根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用及其所需的特性和性能來進(jìn)行區(qū)分。那么，在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用中，要如何正確地選擇和使用IGBT、Si MOSFET以及SiC MOSFET呢？7.1 從輸出能力和工作頻率看...7.2 從電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用的損耗要點(diǎn)看...圖片來源：SysPro

08

IGBT的短路特性

(知識星球發(fā)布)

關(guān)于IGBT短路特性，我們在之前的文章《電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)IGBT關(guān)鍵參數(shù)指南：開關(guān)特性、熱特性、最大電壓、額定電流、脈沖電流、反偏工作區(qū)、輸出特性、Diode參數(shù)說明》中對IGBT的短路特性有過說明。下面是IGBT datasheet中描述的短路特性參數(shù)，包括：

• 短路電流ISC
• 短路時IGBT所能承受的時間Tp

|SysPro說明：

1. 短路電流I_SC是針對短路類型I定義的（短路測試的要求）

2. 在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際的短路時間不要超過T_P的定義值，一般為10us，如上圖。

下圖說明了短路類型I和短路類型II的物理含義：

圖片來源：英飛凌

這里我們重點(diǎn)討論短路特性中的第二點(diǎn)：短路時IGBT所能承受的時間Tp，這一參數(shù)定義了在功率元器件發(fā)生短路時，能夠承受而不致?lián)p壞的時間長度，也被稱為“允許的短路時間”。...

8.1 短路特性回顧...

8.2 短路特性試驗(yàn)...

8.3 短路特性結(jié)果分析...

8.4 為什么短路特性是功率器件保護(hù)的關(guān)鍵？...

圖片來源：SysPro

09

IGBT產(chǎn)品陣容中的內(nèi)置快恢復(fù)二極管（FRD）

(知識星球發(fā)布)

在IGBT的產(chǎn)品系列中，一部分產(chǎn)品內(nèi)置了快FRD（Fast Recovery Diode，快恢復(fù)二極管）。在使用IGBT的逆變器和電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，FRD被用作開關(guān)期間產(chǎn)生的反向電流的路徑。當(dāng)IGBT關(guān)斷時，其負(fù)載（通常是感性的）會產(chǎn)生反向電流，這個電流需要通過FRD來續(xù)流，以防止電壓尖峰和損壞器件...9.1 什么是內(nèi)置FRD?...9.2 為什么要內(nèi)置FRD？...9.3 電機(jī)驅(qū)動逆變器中FRD的關(guān)鍵特性…