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IGBT元件的工作原理和应用1. 引言在现代电力电子技术中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种重要的元件，具有高电压、高电流和高开关速度等特点。
本文将介绍IGBT元件的工作原理和应用。
2. IGBT工作原理IGBT是一种由MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（双极型晶体管）组成的混合型元件。
其工作原理可以分为以下几个步骤：1.输入信号引发控制端电压：控制端的电压作用下，形成子结和耗尽区的条件。
2.条件形成轉移区：控制端电压作用下，在轉移区域存在大电容，电荷会在下一个周期传播到发射区，IGBT结束通导状态。
3.发射区的导通：一旦适当的控制电流和电压施加后，MOS管中的电子开始导通，激活BJT的发射层。
4.提供辅助电压以维持MOS的导通：一旦电子开始导通，就必须通过辅助电压维持MOS的导通，以防止MOS关闭。
综上所述，IGBT的工作原理是通过不断改变控制端电压，并在MOS和BJT之间建立通路来控制导通和截止。
3. IGBT的应用IGBT作为一种重要的电子元件，广泛应用于各个领域。
以下是几个常见的应用领域：3.1 电力传输和变换IGBT在电力传输和变换领域起着重要作用，主要应用于交流换流器、逆变器和直流调节器等设备中。
IGBT的高电压和高电流承受能力，使其能够在电力系统中进行高效的能量转换和传输。
3.2 光伏发电系统在光伏发电系统中，IGBT用于逆变器中，将光伏电池板产生的直流电转换为交流电，以供电网使用或直接驱动电动设备。
3.3 汽车电子系统IGBT在汽车电子系统中的应用越来越广泛，用于电动车的控制系统、混合动力汽车的驱动系统和燃油喷射系统等。
IGBT的高开关速度和高电压能力使其适用于汽车中的高频电子设备。
3.4 变频空调在变频空调中，IGBT用于控制压缩机的工作，以实现空调系统的制冷和加热功能。
IGBT的高效能转换和低能耗使其成为变频空调系统的关键组成部分。
3.5 高速列车在高速列车领域，IGBT被用作高压变流器，用于控制高速列车的起动、制动和稳定运行。
通俗易懂讲解IGBT的工作原理和作用本文通过等效电路分析，通俗易懂的讲解IGBT的工作原理和作用，并精简的指出了IGBT的特点。
可以说，IGBT是一个非通即断的开关，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
IGBT（绝缘栅双极型晶体管），是由BJT（双极型三极管）和MOS（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，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
目前国内缺乏高质量IGBT模块，几乎全部靠进口。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是高压开关家族中最为年轻的一位。
由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。
IGBT的工作原理和作用通俗易懂版：IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加 12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。
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。
IGBT有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。
如果撤掉加在GS两端的电压，这层导电的沟道就消失了，就不可以导电了，变成了绝缘体。
IGBT的工作原理和作用电路分析版：IGBT的等效电路如图1所示。
车规级IGBT简介演示汇报人：2023-12-12•IGBT简介•车规级IGBT•国内外IGBT发展现状及趋势目录•车规级IGBT的未来发展方向•车规级IGBT的挑战与对策•车规级IGBT的应用案例01 IGBT简介IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管，是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（IGFET）组成。
它兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，既可以作为高输入阻抗的MOS型器件，也可以作为低导通压降的GTR器件。
IGBT定义IGBT的工作原理是通过控制输入极MOSFET的栅极电压来控制开断，其结构中栅极电压决定了IGBT的通断。
当栅极电压为高电平时，MOSFET内的沟道形成，电子从源极流入，经过沟道到漏极，形成电流，IGBT导通。
当栅极电压为低电平时，MOSFET内的沟道消失，电子无法形成电流，IGBT关断。
IGBT工作原理IGBT被广泛应用于电力电子装置中，包括电动汽车、电力机车、新能源发电等领域。
在电力机车中，IGBT用于牵引和辅助电源系统。
在电动汽车中，IGBT用于驱动电机、电池管理和充电系统等。
在新能源发电领域，IGBT用于太阳能和风能发电系统中的逆变器、DC/DC 转换器和AC/DC转换器等。
IGBT主要应用领域02车规级IGBT车规级IGBT是一种半导体元器件，专为汽车应用而设计，具有高效能、高可靠性和高安全性。
背景随着新能源汽车市场的不断扩大，车规级IGBT的需求也日益增长。
这种元器件已成为电动汽车、混合动力汽车和燃油汽车等车辆中不可或缺的一部分。
车规级IGBT具有高效的电能转换能力，能够提高车辆的能源利用效率，从而增加续航里程。
高效能高可靠性高安全性车规级IGBT能够在恶劣的工作环境下保持稳定的性能表现，如高温、低温、高湿和颠簸等。
车规级IGBT的设计注重安全性能，能够在发生故障时快速切断电源，保护车辆和乘客的安全。
通俗易懂讲解IGBT的工作原理和作用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极晶体管，是一种常用的功率半导体器件，具有高电压、高电流和高开关速度的特点。
它广泛应用于交流调速、电源逆变、电机驱动等领域，具有重要的作用。
本文将通俗易懂地介绍IGBT的工作原理和作用。
一、IGBT的工作原理IGBT是由N沟道型MOS（Metal Oxide Semiconductor）场效应晶体管与PNP型双极晶体管组成。
它结合了MOSFET和双极晶体管的优点，在导通时具有较低的导通压降，而在关断时具有较高的击穿电压。
其工作原理如下：1. 导通状态：在IGBT导通状态下，当控制电压Ugs大于门极阈值电压Uth时，N沟道型MOSFET处于导通状态，形成通道，电流可以从集电极到源极流动。
由于N沟道型MOSFET的导通电阻较小，因此导通时的压降很小。
2. 关断状态：当控制电压Ugs小于门极阈值电压Uth时，N沟道型MOSFET无通道，不导电，IGBT进入关断状态。
此时，通过控制电压Uce（集电-发射极电压）可以实现IGBT的关断。
由于PNP型双极晶体管的存在，即使在较高的Uce下，IGBT也能承受较高的电压。
IGBT的工作原理可以用一个自锁开关的例子来解释。
N沟道型MOSFET相当于自锁开关的门锁，控制门锁的状态可以实现导通和关断；PNP型双极晶体管相当于自锁开关的钥匙，即使是在关断状态下，只要插入钥匙（提供较高的Uce），开关仍然可以打开。
二、IGBT的作用IGBT作为一种高性能的功率开关器件，其作用主要体现在以下几个方面：1. 电流调节：IGBT能够调节高电压和高电流，广泛应用于交流调速和电源逆变等领域。
在交流调速中，IGBT可以根据输入信号的变化，控制电机的转速和输出功率。
2. 电源逆变：IGBT可实现DC/AC逆变，将直流电源转换为交流信号，用于交流电源转换、逆变焊机等领域。
IGBT管性能和应用讲座功率场效应管MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点；但是，较大的通态电阻使它的最大导通电流容量受到限制．因此MOSFET只能用作中小功率开关元件。
而GTR和GTO是双极型元件，它们具有阻断电压高、导通电流大的优点，但是，它们的开关速度慢，要求的驱动电流大．控制电路比较复杂。
显然，这些开关器件各有优缺点。
而其中MOSFET在GTR的不足之处表现得很优秀，在GTR优秀的地方却表现得有些不足。
于是人们开始研究一种能同时包含MOSFET和GTR的优点的新型开关元件，这就是绝缘栅双圾晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。
绝缘栅双级晶体管是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件。
图2—24是N沟谊IGBT的等效电路和符号。
从图2—24(a)中可以看出．它是由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR组成，它实际是以GTR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的复合管。
图2—24(b)的符号中，G代表栅极，C代表集电极，E代表发射极，P沟道的IGBT符号的箭头方向与此相反。
绝缘栅双极晶体管从1986年至今，发展得非常迅速、日前已经被广泛的应用于各种逆变器中，成为取代GTR的理想开关器件。
一．绝缘栅双极晶体管的特性和参数绝缘栅双极晶体管的输出特性类似于GTR的输出特性，绝缘栅双极晶体管的转移特性类似于MOSFET的转移特性，这里不再叙述。
1．通态电压降图2—25为高速IGBBT(50A／600 V)和高速MOSFET(50 A／500V)的通态电压降比较。
MOSFET的通态电压降在全电流范围内为正温度系数、而IGBT通态电压降在小电流范围内为负温度系数，在大电流范围内为正温度系数。
2．关断损耗图2—26是在感性负载时，高速IGBT与MOsFET的关断损耗与集电极电流的关系。
由图可知*常温下，IGBT的关断损耗与MOSFET的大致相同。
高温时，MOSFET的关断损耗基本不变，与温度无关，而IGBT则不然，温度每增加100℃，损耗增大约2倍。
因此，IGBT的关断损耗要大些。
3.开通损耗在电动机的驱动电路系统中，要接人续流二极管，而续流二极管的反向恢复特性将影响IGBT的开通损耗，使用快速恢复二极管将降低IGBT的开通损耗。
图2—27是IGBT与MOSFET的开通损耗比较。
4．安全工作区(1)擎住效应IGBT为四层结构．这使其体内存在一个寄生晶体管,其等效电路如图2-28所示同时，在这个寄生晶体管的基极与发射极之间并联—个扩展电阻Rb 当IGBT的集电极与发射极之间有电流Ic流过时，在此电阻上将产生正向偏置电压。
不过．在规定的IGBT集电极电流Ic范围内，这个正向偏置电压不大，对寄生晶体管不起作用。
但当集电极电流Ic达到一定程度的时候．该正向偏置电压足以使寄生晶体管导通，进而使V2和V3都处于饱和状态．栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应。
IGBT发生擎住效应后，集电极电流Ic增大．造成过大的功耗，导致器件损坏。
可见，集电极电流有一个临界值Icm，当Ic＞Icm时．便会发生擎住效应。
为此规定了集电极通态电流的最大佰Icm·以及相应的栅射极间电压的最大值Vcem 超过此界限将发生擎住效应。
在IGBT关断的动态过程中，如果dVce/dt过高，产生的位移电流流过扩展电阻Rhr时，也可以产生足以使寄生晶体管导通的正向偏置电压，形成擎住效应。
为了防止擎住现象的发生，使用时要保证IGBT的电流不要超过Icm值，同时，用增加栅极电阻Rg的方法来延长IGBT的关断时间，以减小dVce／dt值。
值得指出的是，动态擎住所允许的集电极电流比静态擎住所允许的要小，所以生产厂商所规定的Icm值是按动态擎住所允许的最大集电极电流来确定的。
2)安全工作区安全工作区反映了—个开关器件同时承受一定电压和电流的能力.IGBT导通时的正向偏置安全工作区，是由集电极电流的最大值Icm 集射极电压的最大值Vcem和功耗3条边界极限包围而成的，如图2—29(a)所示。
最大集电极电流Icm限制了动态擎住现象的发生；最大集射极电压Vcem限制了IGBT被正向电压击穿，最大功耗则是由最高允许结温所决定，导通时间越长，发热越严重，安全工作区就越小，图2—29(b)是IGBT关断时的反向偏置安全工作区。
它随IGBT关断时的dVce／dt而改变，dVce／dt越高、安全工作区就越小。
表2—4列出了东芝和IXYS公司生产的某种IGBT产品的参数。
二 IGBT管的驱动要求1.对栅极的驱动要求IGBT的栅极驱动条件关系到他的静态特性和动太特性,一切都围绕着开关时间、减小开关损耗、保证电路可靠的工作为目标。
因此．对IGBT的栅极驱动电路提出如下要求。
①IGBT与MOSFET都是电压型驱动开关器件．部具有一个2．5—5v的开栅门槛电压，有—个电容性输入阻抗，因此，IGBT对栅极电荷聚集非常敏感。
所以，驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路．即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。
②用内阻小的驱动源对栅极电容充、放电，以保证栅极控制电压Vge有足够陡的的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。
另外，IGBT开通后．栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不会中途退出饱和而损坏。
③驱动电路要能提供高频(几十kHz)脉冲信号，来利用IGBT的高频性能。
④栅极驱动电压必须要综合考虑。
在开通过程中，正向驱动电压Vce越大，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的电流Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利。
因此，在有短路过程的应用系统中，栅极驱动电压应选得小些，一般情况下应取12—15V。
在关断过程中，为了尽快放掉输入电容的电荷．加快关断过程，减小关断损耗，要对栅极施加反向电压一Vge。
但它受IGBT栅射极最大反向耐压的限制，所以一般的原则是：对小容量的IG8T不加反向电压也能工作;对中容量的IGBT加5—6v的反向电压；对大容量的IGBT要加大到10 V左右。
⑤在大电感的负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di／dz所形成的尖峰电压，确保IGB了的安全。
⑥由于IGBT多用于高压场合，所以驱动电路与控制电路一定要严格隔离.⑦栅极驱动电路应尽可能简单可靠，具有IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。
⑧栅极电阻RG可选用IGBT产品说明书上给定的数值；但当IGBT的容量加大时，分布电感产生的浪涌电压与二极管恢复时的振荡电压增大，这将使栅极产生误动作，因此必须选用较大的电阻，尽管这样做会增大损耗。
2．IGBT专用驱动集成电路原则上IGBT的驱动特性与MOSFET的几乎相同，但由于两者使用的范围不同，IG8T多用于大中功率，而MOSFET多用于中小功率，所以它们的驱动电路也有差异。
IGBT一般使用专用集成驱动器，它们集驱动和保护为一体。
常用的专用集成电路有：富士公司的EXB840、841、850、85l 系列;IR公司的IR2l00系列；MOTOROLA公司的MC35158；Uni-trode公司的UC3714、3715；三菱公司的M57957——M57963系列。
下面以富士公司的EXB840和三菱公司的M57962D为例，介绍IGBT的栅极驱动电路。
(1)EXB840组成的驱动电路EXB840是一种高速驱动集成电路．最高使用频率为40KHz．能驱动150A/600V或者75A/1200V的IGBT，驱动电路信号延迟小于1．5us。
采用单电源20V供电。
EXB840的功能框图如图2—30所示。
它主要由输入隔离电路、驱功放大电路、过流检测及保护电路以及电源电路组成。
其中输入隔离电路是由高速光电耦合器组成，可隔离交流2500V的信号。
过流检测及保护电路根据IGBT栅极驱动电平和集电极电压之间的关系，检测是否有过流现象存在。
如果有过流，保护电路将慢速关断IGBT，以防止过快地关断时而引起因电路中电感产生的感应电动势升高，使IGBT集电极电压过高而损坏IGBT。
电源电路将20V外部供电电源变成+15V 的开栅电压和-5V的关栅电压。
EXB840的引脚定义如下：引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容；引脚2和引脚9分别是电源和地；引脚3为驱动输出；引脚4用于连接外部电容器，以防止过流保护误动作(一般场合不需要这个电容)；引脚5为过流保护输出；引脚6为IGBTT集电极电压监视端；引脚14和引脚15为驱动信号输入端；其余引脚不用。
采用EXB840集成电路驱动IGBT的典型应用电路如图2—3l所示。
其ERA34—10是快速恢复二极管。
IGBT的栅极驱动连线应该用双绞线，其长度应小1m，以防止干扰。
如果IGBT的集电极产生大的电压脉冲．可增加IGBT的栅极电阻阻值RG。
(2)M57962L组成的驱动电路M57962L与EXB840的原理非常相似。
它的最高使用频率为20kH z，能驱动400A／600V或者200A／1400V的IGBT。
驱动电路信号延迟小于1．5us．采用+15V和-10V双电源供电。
M57962L的工作原理团如图2—32所示。
与EXB840不同的是它的保护电路。
IGBT能承受短路的时间小于l0us．因此短路保护应在l0us内完成。
M57962L采用了快速保护的措施。
当它检测到IGBT的栅极电压和集电极电压同时为高电平时，就认为负载短路存在，立即降低栅极驱动电压，并从8脚输出故障信号，这一过程用2．6us的时间。
经过1—2ms的延时后，如果保护电路输入信号恢复低电平．则保护电路就自动复位到正常状态。
M57962L的引脚定义如下：引脚l是保护电路对IGBT集电极检测输入端;引脚4和引脚6分别是+15v和-10v电源输入端；引脚5是驱动输出端；引脚8是故障状态输出端；引脚13和引脚14是驱动信号输入端；其余引脚不用。
采用M57962L集成电路驱动IGBT的典型应用电路如图2—33所示。
其中D1是快速恢复二极管，要求恢复时间小于0．2us。
对于驱动高压的IGBT，Dl的恢复时间可能较长，则引脚1承受的电压就高，因此在引脚l和引脚6之间加一只稳压管，进行嵌位保护。
需要注意的是,在M57962L 的电源接通和断开的过程中，在电源稳定之前，M57962L都会在引脚8输出放随信号。
另外，M57962L的引脚2、3、7、9、10是测试引脚，使用时不要接线。
