IGBT的工作原理、作用及選型要求

IGBT由柵極（G）、發(fā)射（E）和集電極（C）三個極控制。 如圖1，IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通。 反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電，使IGBT關斷。 由圖2可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通; 若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

圖1 IGBT 結構圖

圖2 IGBT電氣符（左）與等效的電路圖（右）

如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅動電壓過低則IGBT不能穩(wěn)定的工作，如果過高甚至超過柵極—發(fā)射極之間的耐壓，則IGBT可能會永久損壞。 同樣，如果IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓超過允許值，則流過IGBT的電流會超限，導致IGBT的結溫超過允許值，此時IGBT也有可能會永久損壞。

IGBT的作用

IGBT是一種功率晶體管，運用此種晶體設計之UPS可有效提升產品效能，使電源品質好、效率高、熱損耗少、噪音低、體積小與產品壽命長等多種優(yōu)點。

IGBT主要用于變頻器逆變和其他逆變電路。 將直流電壓逆變成頻率可調的交流電。 它有陰極，陽極，和控制極。 關斷的時候其阻抗是非常大的基本是斷路，接通的時候存在很小的電阻，通過接通或斷開控制極來控制陰極和陽極之間的接通和關斷。

IGBT選型四個基本要求

1、安全工作區(qū)

在安全上面，主要指的就是電的特性，除了常規(guī)的變壓電流以外，還有RBSOA（反向偏置安全工作區(qū)）和短路時候的保護。 這個是開通和關斷時候的波形，這個是相關的開通和關斷時候的定義。 我們做設計時結溫的要求，比如長期工作必須保證溫度在安全結溫之內，做到這個保證的前提是需要把這個模塊相關的應用參數提供出來。 這樣結合這個參數以后，結合選擇的IGBT的芯片，還有封裝和電流，來計算產品的功耗和結溫，是否滿足安全結溫的需求。

2、熱限制

熱限制就是我們脈沖功，時間比較短，它可能不是一個長期的工作點，可能突然增加，這個時候就涉及到另外一個指標，動態(tài)熱阻，我們叫做熱阻抗。 這個波動量會直接影響到IGBT的可靠性，就是壽命問題。 你可以看到50赫茲波動量非常小，這個壽命才長。

3、封裝要求

封裝要求主要體現在外部封裝材料上面，在結構上面，其實也會和封裝相關，因為設計的時候會布局和結構的問題，不同的設計它的差異性很大。

4、可靠性要求

可靠性問題，剛才說到結溫波動，其中最擔心就是結溫波動以后，會影響到這個綁定線和硅片之間的焊接，時間久了，這兩種材料本身之間的熱抗系數都有差異，所以在結溫波動情況下，長時間下來，如果工藝不好的話，就會出現裂痕甚至斷裂，這樣就會影響保護壓降，進一步導致ICBT失效。 第二個就是熱循環(huán)，主要體現在硅片和DCB這個材料之間，他們之間的差異性。 如果失效了以后，就分層了，材料與材料之間特性不一樣，就變成這樣情況的東西，這個失效很明顯。

IGBT如何選型

1、IGBT額定電壓的選擇

三相380V輸入電壓經過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開關工作的條件下，IGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，根據IGBT規(guī)格的電壓等級，選擇1200V電壓等級的IGBT。

2、IGBT額定電流的選擇

以30kW變頻器為例，負載電流約為79A，由于負載電氣啟動或加速時，電流過載，一般要求1分鐘的時間內，承受1.5倍的過流，擇最大負載電流約為119A ，建議選擇150A電流等級的IGBT。

3、IGBT開關參數的選擇

變頻器的開關頻率一般小于10kHZ，而在實際工作的過程中，IGBT的通態(tài)損耗所占比重比較大，建議選擇低通態(tài)型IGBT。

影響IGBT可靠性因素

1）柵電壓

IGBT工作時，必須有正向柵電壓，常用的柵驅動電壓值為15～187，最高用到20V， 而棚電壓與柵極電阻Rg有很大關系，在設計IGBT驅動電路時， 參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設計合適驅動參數，保證合理正向柵電壓。 因為IGBT的工作狀態(tài)與正向棚電有很大關系，正向柵電壓越高，開通損耗越小，正向壓降也越小。

2）Miller效應

為了降低Miller效的影響，在IGBT柵驅動電路中采用改進措施：（1）開通和關斷采用不同柵電阻Rg，ON和Rg，off，確保IGBT的有效開通和關斷; （2）柵源間加電容c，對Miller效應產生的電壓進行能量泄放; （3）關斷時加負柵壓。 在實際設計中，采用三者合理組合，對改進Mille r效的效果更佳。

IGBT使用注意事項

（1）操作過程中要佩戴防靜電手環(huán)；

（2）盡量不要用手觸摸驅動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸；

（3）IGBT模塊驅動端子上的黑色海綿是防靜電材料，用戶用接插件引線時取下防靜電材料立即插上引線；

（4）在焊接作業(yè)時，設備容易引起靜電的產生，為了防止靜電的產生，請先將設備處于良好的接地狀態(tài)下。

IGBT如何保管

1、一般保存IGBT模塊的場所，應保持常溫常濕狀態(tài)，不應偏離太大。 常溫的規(guī)定為5℃～35℃，常濕的規(guī)定為45%～75%。 在冬天特別干燥的地區(qū)，需要加濕機加濕。

2、盡量遠離有腐蝕性氣或灰塵較多的場合。

3、在溫度發(fā)生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結露水的現象，因此IGBT模塊應放在溫度變化較小的地方。

4、IGBT模塊在未投入生產時不要裸露放置，防止端子氧化情況的發(fā)生。

審核編輯：湯梓紅

?