电动汽车用绝缘栅双极晶体管IGBT模块环境.pdf

IGBT在新能源电动汽车中的应用全面解析
1、IGBT定义
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管
IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品
2、IGBT的用途
IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，应用于直流电压为600V及以上的变流系统如轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。

封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上
3、IGBT模块的特点
IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点
当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块
4、用最简单的语言概括IGBT的功能和作用
控制能源的变换和传输
5、为什么电动汽车需要IGBT?
IGBT的作用是交流电和直流电的转换，同时IGBT还承担电压的高低转换的功能。

外界充电的时候是交流电，需要通过IGBT转变成直流电然后给电池，同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。

电池放电的时候，把通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电，同时起到对交流电机的变频控制，当然变压是必不可少的。

IGBT是功率半导体器件，可以说是电动车的的核心技术之一,IGBT的好坏直接影响电动。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。

它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。

自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。

IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。

具有栅极G、集电极C和发射极E。

图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。

与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。

这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。

图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。

因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。

由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。

上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。

◆文/山东 刘春晖IGBT 在新能源汽车中的应用(上)近年来，新型功率开关器件IGBT(图1)已逐渐被人们所认识，IGBT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(图2)，IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写形式，是绝缘栅双极型晶体管。

与以前的各种电力电子器件相比，IGBT具有以下特点：①高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；②高速开关特性，导通状态低损耗。

IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

简单讲，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看作导线，断开时当作开路。

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，是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，IGBT在综合性能方面占有明显优势，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。

图1 IGBT外形一、IGBT的应用领域及现状1.IGBT的应用领域IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU”。

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，导通时可以看作导线，断开时当作开路。

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，不同公司的IGBT如图3所示。

采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。

IGBT的应用领域很广，如工业领域中的变频器，家用电器领域的变频空调、洗衣机、冰箱，轨道交通领域的高铁、地铁、轻轨，军工航天领域的飞机、舰艇以及新能源领域的新能源汽车、风力发电等都有非常广泛的应用。

汽车应用中的IGBT功率模块诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBTIGBT 功率模块功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。

本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。

各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管（IGBT），设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。

图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。

商用电动车（EV）和混合动力电动车（HEVHEV）的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。

EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。

根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件（振动和冲击）的考验。

为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地选择材料和设计电气特性，以得到相似甚至更好的结果。

热循环和热冲击试验在热循环（TC）期间，待测器件（DUT）交替地暴露于被精确设定的最低和最高温度下，使其管壳的温差（ΔTC）达到80K到100K。

DUT处于最低和最高温度的存储时间必须足以使其达到热平衡（即2到6分钟）。

此项试验的重点是检测焊接处的疲劳特性。

通过更严格的试验，还可以研究其它部分（如模块的框架）所存在的弱点。

热冲击试验（TST），也被称作二箱试验，是在经过扩展的ΔTC的条件下进行的，例如从-40-C 到+150+C，其典型的存储时间为1小时。

图1：包括基板在内的IGBT模块构架示意图。

功率循环在热循环/热冲击试验过程中，从外部加热DUT，而在功率循环（PC）期间，DUT被流经模块内部的负载电流主动地加热。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，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。

图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。

N+ 区称为漏区。

器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。

沟道在紧靠栅区边界形成。

在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。

而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。

附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。

IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

IGBT 的工作特性包括静态和动态两类：1 ．静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。

IGBT模块工作原理及使用中的注意事项来源： | 发表于：2009年04月13日1 IGBT模块简介IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

IGBT的等效电路如图1所示。

由图1可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

实物图图1 IGBT的等效电路2 IGBT模块的选择IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。

其相互关系见下表。

使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。

同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。

特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降温等使用。

3 使用中的注意事项由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。

由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V。

因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。

因此使用中要注意以下几点：1.在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸；2.在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块；3.尽量在底板良好接地的情况下操作。

igbt绝缘栅双极晶体管国家标准IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极晶体管是一种半导体器件，具有功率MOSFET和双极晶体管的优点，被广泛应用于电力电子、变频调速、逆变器等领域。

为了规范和统一IGBT绝缘栅双极晶体管的生产、测试和应用，我国制定了一系列国家标准，以确保产品质量和安全性。

首先，IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准对产品的分类和命名进行了规定。

根据不同的用途和技术要求，IGBT绝缘栅双极晶体管被分为不同的等级和型号，并对其命名进行了统一规范，以便生产厂家和用户能够准确地识别和选择合适的产品。

其次，国家标准对IGBT绝缘栅双极晶体管的技术要求进行了详细的规定。

包括电气特性、封装结构、环境适应能力、可靠性指标等方面的要求，以确保产品在各种工作条件下都能够稳定可靠地工作，并具有一定的抗干扰能力和环境适应能力。

此外，IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准还对产品的检验方法和标志进行了规定。

包括产品的外观检查、电气性能测试、环境适应能力测试等内容，以及产品标志的规定和使用，以便生产厂家和用户在使用过程中能够准确地了解产品的性能和质量等信息。

总的来说，IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准的制定，对于推动我国IGBT绝缘栅双极晶体管产业的发展，提高产品质量和安全性，促进技术创新和产业升级具有重要意义。

只有严格依照国家标准生产、测试和应用IGBT绝缘栅双极晶体管，才能够确保产品的质量和可靠性，为用户提供更加优质的产品和服务。

综上所述，IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准的制定和执行，是我国电力电子领域的重要举措，将为行业的发展和产品的质量提升起到积极的推动作用。

希望生产厂家和用户能够充分重视国家标准的执行，共同推动我国IGBT绝缘栅双极晶体管产业的健康发展。

摘要IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),也 称 为 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ,是 一 种 复 合 了 功 率 场 效 应 管 和 电 力 晶 体 管 的 优 点 而 产 生 的 一 种 新 型 复 合 器 件 ,它 同 时 具 有 MOSFET 的 高 速 开 关 及 电 压 驱 动 特 性 和 双 极 晶 体 管 的 低 饱 和 电 压 特 性 及 易 实 现 较 大 电 流 的 能 力 ，既 具 有 输 入 阻 抗 高 、工 作 速 度 快 、热 稳 定 性 好和驱动电路简单的优点， 具有通态电压低、 压高和承受电流大的优点， 又 耐 这 使 得 I G B T 成 为 近 年 来 电 力 电 子 领 域 中 尤 为 瞩 目 的 电 力 电 子 驱 动 器 件 ，并 且得到越来越广泛的应用。

本 文 主 要 介 绍 了 IGBT 的 结 构 特 性 、 工 作 原 理 和 驱 动 电 路 ， 同 时 简 要 概 括 了 IGBT 模 块 的 选 择 方 法 和 保 护 措 施 等 ， 后 对 IGBT 的 最 实 际 典 型 应 用 进 行 了 分 析 介 绍 ，通 过 对 IGBT 的 学 习 ，来 探 讨 IGBT 在当代电力电子领域的广泛应用和发展前景。

关 键 词 ：IGBT；绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ；MOSFET；驱 动 电 路 ；电 力 电 子驱动器件PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 目摘录要 ................................................................................................................... I 1 前 言 .................................................................................................................1 2 IGBT 的 发 展 历 程 ........................................................................................1 3 IGBT 的 结 构 特 点 和 工 作 原 理 ................................................................2 4 IGBT 的 驱 动 电 路 和 保 护 ..........................................................................4 4.1 IGBT 对 驱 动 电 路 的 要 求 ..............................................................4 4.2 IGBT 实 用 的 驱 动 电 路 ...................................................................5 4.3 IGBT 的 保 护 措 施 ............................................................................8 5 IGBT 的 工 作 特 性 ......................................................................................11 6 IGBT 模 块 的 选 择 和 测 试 ........................................................................12 7 IGBT 的 应 用 实 例 ......................................................................................15 7.1 断 路 器 永 磁 机 构 控 制 器 的 驱 动 电 路 .......................................15 7.2 变 频 调 速 系 统 ................................................................................16 7.3 大 功 率 商 用 电 磁 炉 ........................................................................17 8 结 论 ...............................................................................................................17参 考 文 献 ..........................................................................................................18PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 1 前言近 年 来 ， 新 型 功 率 开 关 器 件 IGBT 已 逐 渐 被 人 们 所 认 识 ， IGBT 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 , 与 以 前 的 各 种 电 力 电 子 器 件 相 比 ， IGBI、 具 有 以 下 特 点：高 输 入 阻 抗，可 采 用 通 用 低 成 本 的 驱 动 线 路；高 速 开 关 特 性；导 通 状 态 低 损 耗 。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）的基本特性与驱动张冬冬（华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206）The Basic Characteristics and the Drive of Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)Zhang Dong-dong(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)ABSTRACT: IGBT is short for Insulate Gate Bipolar Transistor. It greatly expands the semiconductor device applications field in power industry, as it has multiple advantages of MOSFET and GTR. For example, it improves the performance of the air conditioner remarkably when used in convert circuits in frequency conversion air conditioner.GTR saturated pressure drop, the carrier density, but the drive current is larger; MOSFET drive power is small, fast switching speed, but the conduction voltage drop large carrier density. IGBT combines the advantages of these two devices, drive power is small and saturated pressure drop. V ery suitable for DC voltage of 600V and above converter systems such as AC motor, inverter, switching power supply, electric lighting.KEY WORDS：IGBT, converter, switching power supply摘要：IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管。

绝缘栅双极晶体管的基本知识绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种常用的电力开关器件，具有较高的电压承受能力和较低的导通压降。

它在现代电力电子技术中得到广泛应用，如变频器、电力逆变器、电力调制器等。

绝缘栅双极晶体管由三个区域组成：N型区域、P型区域和N型区域。

N型区域被称为发射极，P型区域被称为集电极，N型区域被称为基极。

发射极和集电极之间通过P型区域形成P-N结，而基极和发射极之间通过N型区域形成N-P结。

在基极和发射极之间有一层绝缘栅氧化物，起到隔离的作用。

绝缘栅双极晶体管的工作原理如下：当发射极和集电极之间的电压为正时，P-N结会被正向偏置，这时集电结会导通，电流可以从集电极流向发射极。

此时，绝缘栅氧化物上施加一个正电压，使绝缘栅区的电子层向内侧迁移，导致N-P结中的空穴区域减少，从而减小了N-P结的屏蔽效应，提高了电流传输的效率。

因此，绝缘栅双极晶体管具有较低的导通压降。

当发射极和集电极之间的电压为负时，P-N结会被反向偏置，此时集电结不导通，绝缘栅氧化物上施加的正电压使得绝缘栅区的电子层向外侧迁移，增加了N-P结的空穴区域，从而增加了屏蔽效应，减小了电流的传输效率。

因此，绝缘栅双极晶体管具有较高的电压承受能力。

绝缘栅双极晶体管在电力电子领域的应用非常广泛。

它具有较高的开关速度和较低的开关损耗，可以实现高效率的能量转换。

此外，绝缘栅双极晶体管还具有较好的抗短路能力和抗干扰能力，能够在恶劣的工作环境下稳定运行。

绝缘栅双极晶体管的基本知识是电子工程师和电力工程师必备的知识之一。

了解绝缘栅双极晶体管的结构和工作原理，对于设计和应用电力电子系统具有重要意义。

在实际应用中，需要根据具体的要求选择合适的绝缘栅双极晶体管型号，并合理设计电路和控制策略，以实现高效、稳定和可靠的工作。

绝缘栅双极晶体管是一种重要的电力开关器件，具有较高的电压承受能力和较低的导通压降。