IGBT绝缘栅双极晶体管解析
车规级IGBT简介
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定制化服务
针对不同车型和不同能源系统的需求，提供定制 化的车规级IGBT解决方案将成为行业的重要发展 方向。
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车规级IGBT的挑战与解决方案
技术挑战
01
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高可靠性要求
车规级IGBT需要在高温、 高湿、高震动的环境下长 时间稳定工作，对可靠性 和稳定性要求极高。
快速开关响应
车规级IGBT需要具备快速 的开关响应速度，以满足 车辆控制系统对动力和制 动性能的需求。
车规级IGBT简介
汇报人： 2024-01-04
目录
• IGBT的基本介绍 • 车规级IGBT的特点 • 车规级IGBT的应用 • 车规级IGBT的市场前景 • 车规级IGBT的挑战与解决方
案
01
IGBT的基本介绍
IGBT的定义
IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种复合晶体管，由金属-氧化 物-半导体场效应管（MOSFET）和双极晶体管（BJT）组合 而成。
IGBT的优点
01
02
03
04
高速开关能力
IGBT具有快速的开关速度， 能够实现高频率的开关转换。
低通态压降
在导通状态下，IGBT的通态 压降较低，能够降低能源损耗
。
耐高温性能
IGBT能够在高温环境下稳定 工作，适用于高温环境下的应
用。
可靠性高
IGBT的结构简单，可靠性高 ，寿命长。
02
车规级IGBT的特点
优化设计
通过优化设计和制程工艺，提高车规级IGBT的开关响应速度和 效率。
降低成本
通过优化供应链管理和规模化生产，降低车规级IGBT的材料成 本和研发成本。
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解析IGBT管特点_工作原理与保护电路_一_
伏上升到电源电压（在此期间通态电流保持不变），产 相关时，把导通损耗定义为功率损耗是可行的。这三者
生很大的电压应力 ｄｕ／ｄｔ，这将严重地威胁到 ＩＧＢＴ 管长期工作的可靠性。在电路设计中，通过在栅极驱动
之间的表达式为：Ｐｃｏｎｄ＝ＵＣＥ×ＩＣ。开关损耗与 ＩＧＢＴ 管 的换向有关，但是主要与工作时的总能量消耗 Ｅｔｓ 相
少子导电器件，开关特性受少子的注入和复合以及栅 度地降低功耗，根据终端设备的频率以及应用中的电
极驱动条件的影响较大。在实践中，考虑到电容的密勒 平特性，应选择不同的器件。
效应，栅极驱动电路的驱动能力应大于手册中规定值
6. IGBT管损坏的原因及对策
的 ２～３ 倍。
ＩＧＢＴ 管在使用过程中，经常受到容性或感性负载的
（５）安全工作区特性。少子器件在大电流高电压开 冲击，发生过负荷甚至负载短路等，可能导致 ＩＧＢＴ 管损
绝缘栅双极晶体管的工作原理
绝缘栅双极晶体管的工作原理
绝缘栅双极晶体管是一种三端半导体器件，也被称为IGBT。
IGBT 包含一个P型衬底，两个N型外延层和一个PNPN结构。
其中，N+型区
域和P+型区域用于接触电极，形成源极（S）、栅极（G）和漏极（D）。
IGBT的工作原理是在栅极与源极之间加上一个正向电压，即形成了一个正向偏压，在PN结和N导电层之间形成一个细窄的储存电荷区域。
当从源极施加正向电压时，由于P层和N+层之间的势垒，会产生
大量的少数载流子，这些载流子被P层电场加速后，穿过N层，耗散
在收集区域。
在使G极与S极之间加正向电压的同时，在栅极上接上
一个信号电压，使G极形成一个电场，这个电场就能控制S极和D极
之间通道的导电状态，因此，IGBT可以实现大电流控制的功能。
当栅极电压较低时，极个电场也较弱，S与D之间的场效应导电
是较弱的。
当栅极电压增加到一定程度时，P衬底和N+区之间的PN结
区域就会放电，电子被注入N+区域，从而形成一个N+掺杂的导电通道，从而使S和D之间的电阻变得非常小，此时IGBT处于导通状态，可以
实现大电流放电。
,绝缘栅双极型晶体管
,绝缘栅双极型晶体管
摘要：
1.绝缘栅双极型晶体管的概念与结构
2.绝缘栅双极型晶体管的工作原理
3.绝缘栅双极型晶体管的特点与应用
4.绝缘栅双极型晶体管的发展趋势
正文：
绝缘栅双极型晶体管（简称IGBT）是一种高反压大电流器件，它是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
IGBT 兼具MOSFET 的高输入阻抗和双极型晶体管的低导通压降两方面的优点，具有较高的开关速度和较低的导通损耗，常用于大功率放大输出、电磁炉等应用。
IGBT 的工作原理是通过控制MOS 管的栅极，再由MOS 管控制晶体管的通断。
当MOS 管的栅极施加正向电压时，MOS 管导通，晶体管也随之导通；当MOS 管的栅极施加负向电压时，MOS 管截止，晶体管也随之截止。
这样，通过控制MOS 管的栅极电压，可以实现对晶体管的控制，从而达到开关电路的目的。
绝缘栅双极型晶体管具有以下特点：
1.高反压：由于晶体管的集电极和发射极之间有较高的反压，使得IGBT 可以承受较高的电压。
2.大电流：IGBT 具有较大的电流容量，可以承受较大的电流。
3.高开关速度：IGBT 的开关速度较高，可以实现高频率的开关操作。
4.低导通压降：IGBT 的导通压降较低，可以降低能耗和导通损耗。
随着科技的发展，绝缘栅双极型晶体管的应用领域不断扩大，包括新能源、工业控制、家用电器等领域。
IGBT绝缘栅极双极型晶体管
•
在使用IGBT的场合，当栅极回路不正 常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状 态），若在主回路上加上电压，则IGBT就 会损坏，为防止此类故障，应在G栅极与E 发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。
图片
名词定义
• • • • • • • • • • 专业术语 符号 定义 集电极、发射极间电压 VCES 栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最 大电压 栅极发极间电压 VGES 集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大 电压 集电极电流 IC 集电极所允许的最大直流电流 耗散功率 PC 单个IGBT所允许的最大耗散功率 结温 Tj 元件连续工作时芯片温厦 关断电流 ICES 栅极、发射极间短路，在集电极、发射极 间加上 指定的电压时的集电极电流 漏电流 IGES 集电极、发射极间短路，在栅极、集电极间加上 指定的电压时的栅极漏电流 饱和压降 V CE(sat) 在指定的集电极电流和栅极电压的情况下，集电 极、发射极间的电压。 输入电容 Clss 集电极、发射极间处于交流短路状态，在栅极、发 射极间及集电极、发射极间加上指定电压时， 栅极、发射极 绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场 效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层 • IEC规定：源极引出的电极端子（含电极端） 称为发射极端（子），漏极引出的电极端（子） 称为集电极端（子）
工作原理
• 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。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)
绝缘栅双极晶体管【IGBT】全名：绝缘栅双极晶体管英文：（Insulated-gate Bipolar Transistor）简称：IGBTGTR和MOSFET的复合体，1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET 的市场，中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位1. IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EIGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号（1）IGBT的结构如图所示，N沟道MOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比P-MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，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简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管RN为晶体管基区内的调制电阻（2）IGBT的工作原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压UGE决定导通： UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断2. IGBT的静态工作特性IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性（1）转移特性：IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。
开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在时，UGE(th)的值一般为2~6V（2）输出特性（伏安特性）：以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系分为四个区域：正向阻断区、有源区、饱和区和击穿区。
通俗易懂讲解IGBT的工作原理和作用
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。
绝缘栅双极晶体管结构与工作原理解析
绝缘栅双极晶体管结构与工作原理解析
绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar TransistorIGBT）综合了电力晶体管（Giant TransistorGTR）和电力场效应晶体管（Power MOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。
IGBT
的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的
区域。
多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照相机的频闪观测器、感应加热（InducTIonHeaTIng）电饭锅等领域。
根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。
另一种是把IGBT与FWD （FleeWheelDiode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。
模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。
MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）
数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，
功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。
IGBT较低的压降，转换成一个低。
绝缘栅双极晶体管的原理
绝缘栅双极晶体管的原理绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）是一种强大的功率开关，具有MOSFET和双极晶体管的优点。
它结合了MOSFET的高输入电阻和低功率驱动需求以及双极晶体管的低导通电阻和高功率承载能力。
IGBT广泛应用于电力电子领域，如交流驱动、逆变器、变频器、电力变压器等。
IGBT的结构主要由P型、N型硅材料和三个控制区域构成，分别是漏极区、绝缘栅区和发射极区。
首先，IGBT的控制区域是绝缘栅区，其中有一个绝缘栅极层。
绝缘栅极由绝缘氧化物层、控制电极和金属连接层组成。
绝缘栅极主要负责控制漏极与源极之间的电流流动。
其次，IGBT的发射极区由N型区域构成，是电流的主要控制区域。
当正向电压施加在漏极上时，P型基区的电子与P型漂移区的空穴重新组合，形成一个N 型区域。
在正常工作条件下，IGBT处于关闭状态。
当绝缘栅极加上正向电压时，绝缘栅极下方的N型区域和P型漂移区产生内建电场。
这个电场将吸引P型漂移区的空穴向N型区域移动，形成一个名为空穴输运层（holes injection layer）的区域。
当发射极加上正向电压，空穴输运层的空穴将通过N型区域向漏极流动。
在这个过程中，N型区域的电子与空穴再次发生复合，形成一个N型输运层，其中的电子将通过N型纵向导通区流向漏极。
因此，IGBT可以形成一个NPN双极结构。
IGBT的导通过程是通过绝缘栅极的电压控制的。
当绝缘栅极处于低电平时（通常为零电压），N型输运层的电子将被吸引到绝缘栅极下的P型漂移区。
由于电子与空穴再次发生复合，电流无法流过N型区域，因此IGBT处于关断状态。
当绝缘栅极加上正向电压时，电子从N型输运层流向绝缘栅极，形成一个细弱的沟道。
这个沟道会引起N型输运层与P型漂移区之间的空间电荷区扩展，使得电流可以通过N型区域流向漏极。
当绝缘栅极施加足够的电压时，空间电荷区达到最大并且IGBT进入饱和导通状态。
怎么理解绝缘栅双极型晶体管
怎么理解绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管是一种重要的电子器件，它在电子电路中具有广泛的应用。
本文将从多个角度对绝缘栅双极型晶体管进行解析，以帮助读者更好地理解这一器件的原理和特性。
一、绝缘栅双极型晶体管的基本结构和工作原理绝缘栅双极型晶体管由三个区域组成，分别是发射区、基区和集电区。
其中，基区与发射区通过绝缘栅隔离，从而使得绝缘栅双极型晶体管具有了与普通双极型晶体管不同的特性。
绝缘栅双极型晶体管的工作原理是基于PN结的导电特性。
当在绝缘栅上施加正向偏置电压时，绝缘栅与发射区之间的势垒被打破，发射区的电子就会注入到基区中。
这样，基区就会形成一个电子多数载流子的区域，而发射区则成为一个电子少数载流子的区域。
当在集电区施加正向偏置电压时，电子就会从基区进一步注入到集电区，从而形成电流。
二、绝缘栅双极型晶体管的特性和应用1. 高输入电阻：绝缘栅双极型晶体管的绝缘栅与基区之间存在着绝缘层，因此绝缘栅双极型晶体管具有很高的输入电阻，可以减小输入电路的负载效应，提高电路的灵敏度。
2. 低输出电阻：绝缘栅双极型晶体管的集电区电流增大时，由于电子注入的增加，集电区的电导率也会增加，从而降低了输出电阻，提高了电路的输出功率。
3. 快速开关速度：绝缘栅双极型晶体管具有快速的开关速度，可以实现高频率的信号放大和开关控制。
这使得它在射频放大器、频率合成器和通信系统中得到广泛应用。
4. 小型化和集成化：由于绝缘栅双极型晶体管的特殊结构，它可以实现微小尺寸的制造，从而有利于集成电路的小型化和高集成度。
绝缘栅双极型晶体管在电子电路中有着广泛的应用。
例如，在放大电路中，它可以用作低噪声放大器、功率放大器和运算放大器等。
在开关电路中，它可以用于数字逻辑门、触发器和计数器等。
此外，由于绝缘栅双极型晶体管的特殊性能，它还被广泛应用于射频通信、无线传感器网络和医疗器械等领域。
三、绝缘栅双极型晶体管的发展趋势和挑战随着科技的不断进步，绝缘栅双极型晶体管也在不断发展和演进。
绝缘栅双极晶体管的优缺点以及应用场合
绝缘栅双极晶体管的优缺点以及应用场合绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种能够承受高电压和高电流的半导体器件，由于它具有普通双极晶体管和场效应晶体管的优点，同时又能避免它们的缺点，因此在电力电子、变频器和交流调速器等领域得到广泛应用。
其主要优点包括：第一，高电压承受能力。
IGBT的工作电压可以达到数千伏，远高于一般双极晶体管的极限。
第二，高电流承受能力。
IGBT的电流承受能力可以达到数百安培，远高于一般场效应晶体管的极限。
第三，开关速度快。
IGBT的开关速度可以达到微秒级别，比一般双极晶体管要快得多，这使其在高频电路中具有优势。
其主要缺点包括：第一，导通压降大。
由于IGBT的结构特殊，其导通压降比一般双极晶体管要大，这会导致其功率损失增大。
第二，开关损耗大。
由于IGBT的零电压开关和零电流关断特性，其在开关过程中容易产生大量热量，从而增加了开关损耗。
IGBT的应用场合包括：第一，交流驱动器。
IGBT的高电压和高电流承受能力，以及快速的开关速度，使其适用于交流电机的控制。
第二，逆变器。
IGBT的高电压和高电流承受能力，以及零电压开关和零电流关断特性，使其适用于逆变器的控制。
第三，直流稳压器。
IGBT的高电压承受能力，使其适用于直流稳压器的控制。
总之，IGBT是一种功能强大的半导体器件，具有广泛的应用前景。
然而，应用时需要注意其导通压降和开关损耗等问题，以提高其效率和可靠性。
绝缘栅双极型晶体管作用
绝缘栅双极型晶体管作用
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种高性能功率半导体器件，广泛应用于电力电子、交通运输、工业自动化等领域。
其主要作用如下：
1. 放大信号：IGBT具有较高的电压放大倍数和较低的输入阻抗，能够有效地放大小信号。
2. 控制电流：IGBT的控制端可以通过调节输入信号的大小来控制输出电流的大小，从而实现对电路的精确控制。
3. 开关功能：IGBT具有快速开关和可靠性高等特点，可以在高频率下进行开关操作，并且不易出现损坏情况。
4. 降低功耗：由于IGBT具有较低的导通损耗和截止损耗，因此能够有效地降低功耗并提高效率。
5. 保护作用：当负载电流过大或过载时，IGBT可以自动切断电路以避免设备损坏，并保护系统安全运行。
6. 防止反向漏电流：由于IGBT具有良好的反向阻断特性，能够有效地防止反向漏电流对设备造成损害。
总之，绝缘栅双极型晶体管是一种高性能功率半导体器件，具有多种作用，能够广泛应用于各个领域。
最详细的的-IGBT-解析讲解学习
最详细的的-I G B T-解析IGBT详细解析概述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。
1. 结构IGBT结构图左边所示为一个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。
P+ 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NPN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。
三菱制大功率IGBT模块2. 工作特性2.1 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。
绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管
绝缘栅双极型晶体管 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，因此，可以把其看作是 MOS输入的达林顿管。
它融和了这两种器件的优点，既具有 MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。
在中大功率的开关电源装置中， IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或 GTO。
但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。
因而，在选择 IGBT时除了要作降额考虑外，对 IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。
工作原理IGBT的等效电路如图 1所示。
由图 1可知，若在 IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则 MOSFET导通，这样 PNP晶体管的集电极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 0 V，则 MOSFET截止，切断 PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。
由此可知， IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：—— IGBT栅极与发射极之间的电压；—— IGBT集电极与发射极之间的电压；——流过 IGBT集电极－发射极的电流；—— IGBT的结温。
如果 IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则 IGBT 不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则 IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在 IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压，流过 IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流， IGBT的结温超过其结温的允许值， IGBT都可能会永久性损坏。
2 保护措施在进行电路设计时，应针对影响 IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相应的保护措施。
绝缘栅双极型晶体管及应用进行讨论
绝缘栅双极型晶体管及应用进行讨论绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种功能强大的功率器件，广泛应用于各种电力和电子系统中。
它结合了双极型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的优点，具有高电压、高电流和高功率的能力。
首先，我们来讨论IGBT的结构。
IGBT由NPN型双极型晶体管和P型MOSFET组成，其中双极型晶体管负责控制电流，MOSFET负责控制电压。
IGBT的基极连接双极型晶体管的集电极，发射极连接双极型晶体管的基极，而栅极连接MOSFET的栅极。
这种结构使得IGBT既能够实现高电流放大能力，又能够通过栅极控制电流。
IGBT的工作原理是这样的：当栅极施加正电压时，栅极结与源结之间产生正向偏压，导致P型基区形成大量的N型电子，使得NPN型双极型晶体管处于导通状态。
通过控制栅极电压的大小，可以精确地控制双极型晶体管的导通程度，从而控制电流的大小。
当栅极电压为零或负电压时，IGBT处于截止状态，不导通电流。
这种特性使得IGBT可以用作开关器件，在高功率应用中实现快速的开关操作。
IGBT具有许多应用领域，特别是在电力电子和电力系统中。
一种主要的应用是电力转换器，用于将直流电转换为交流电或反过来。
IGBT可以承受高电压和高电流，因此非常适合于这些高功率转换应用。
此外，IGBT还用于电机驱动器，用于控制电动机的速度和转向。
IGBT的快速开关能力使电机驱动系统更加高效，减少能量损耗。
此外，IGBT还常用于电力系统中的静态无功补偿(SVC)和静态同步补偿(STATCOM)系统中。
这些系统用于实现电网的功率因数校正和电压调节。
IGBT的快速开关特性和高电压能力使得它在这些动态补偿系统中非常有用。
总的来说，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种能够高效控制功率的器件。
它结合了双极型晶体管和MOSFET的优点，具有高电压、高电流和高功率的能力。
IGBT广泛应用于电力电子和电力系统中，如电力转换器、电机驱动器、静态无功补偿和静态同步补偿系统等。
绝缘栅双极型晶体管工作原理
绝缘栅双极型晶体管工作原理绝缘栅双极型晶体管，听起来有点高大上，其实它就像一位舞台上的明星，既能独当一面，又能与其他演员配合得天衣无缝。
想象一下，在电路的世界里，它就像个神奇的开关，能在瞬间把电流导入或切断。
平常说的电流，就像是马路上的车辆，流动起来的时候，一切都井然有序，但如果遇上堵车，嘿，麻烦就来了。
那绝缘栅双极型晶体管（IGBT）到底是怎么工作的呢？它有个超厉害的结构。
想象一下，一座高楼，最上面有个阳台，阳台上有个小门，这个小门就是“栅极”。
它负责控制“楼里”的大批电流。
这楼里有电流“公寓”，一进一出，各种电流在这里忙得不可开交。
有了这个小门，电流就能听从指挥，谁进谁出，完全看这个栅极的心情。
我们来聊聊栅极的工作。
它有个特别的地方，就是不需要直接连接电流。
就像魔法一样，只要给栅极施加一个小小的电压，它就能“喊”电流过来。
电流像听话的小孩，听到指令就乖乖地涌动过来，简直是太神奇了！不过，栅极可不是随便就能控制的，得讲究技巧。
要是施加的电压不够，电流就不愿意配合，那就尴尬了。
再来说说这小门的“材料”。
绝缘层就像是它的保护罩，确保了电流不随便乱跑。
要知道，这保护罩是多么重要，稍不留神，电流就可能打破规则，产生短路，那就麻烦大了。
正因为有了这个绝缘层，IGBT才能在高电压和大电流的环境下，依然稳稳当当地工作。
IGBT不仅仅是个开关，它的应用可广泛了。
比如，咱们日常见到的电动汽车和风力发电机里，IGBT都是个大忙人。
它们帮助电能转化、调节，确保一切运转如飞。
再比如，咱们的冰箱、空调，里面的电路都有它的身影，真是家庭的“隐形英雄”。
如果我们进一步深入，IGBT的速度也让人惊叹。
它的开关速度可不是一般的快，像风一样迅捷，瞬间就能切换。
想想，开关电源的时候，简直跟开赛车一样刺激。
这速度让它能轻松应对各种负载变化，绝对是电力系统的“超级英雄”。
不过，IGBT也有小脾气。
长时间工作会让它发热，就像人在阳光下晒久了会中暑一样。
绝缘栅双极晶体管的基本知识
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。
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IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的英文缩写绝缘门双极性晶体管绝缘栅双极晶体管缩写IGBTMOSFET是场效应管，因为只有一个极性的粒子导电，又称为单极性晶体管。
是功率管，有放大作用，IGBT的本质就是一个场效应管，不过是在场效应管的基础上加上了P+层。
是结合了场效应管＆双极性晶体管的特点。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。
由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。
较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
IGBT基本结构见图1中的纵剖面图及等效电路。
导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。
如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。
基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。
当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。
如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。
最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流(双极)。
关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。
在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。
这种残余电流值(尾流)的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。
少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。
鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。
因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和TC之间的关系如图2所示。
反向阻断当集电极被施加一个反向电压时，J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。
因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。
另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。
第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。
正向阻断当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制。
此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。
闩锁IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，如图1所示。
在特殊条件下，这种寄生器件会导通。
这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。
晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。
通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。
只在关断时才会出现动态闩锁。
这一特殊现象严重地限制了安全操作区。
为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。
降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。
此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。
因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。
正向导通特性在通态中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET驱动的PNP晶体管建模。
图3所示是理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件(寄生元件不考虑在内)。
如图所示，IC是VCE的一个函数(静态特性)，假如阴极和阳极之间的压降不超过0.7V，即使栅信号让MOSFET沟道形成(如图所示)，集电极电流IC也无法流通。
当沟道上的电压大于VGE -Vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。
由于IGBT结构中含有一个双极MOSFET和一个功率MOSFET，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。
功率MOSFET的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。
本图描述了VCE(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。
当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某一电流率的VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。
有时候，用一个NPT进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的PT器件相比，使用NPT会造成压降增加。
动态特性动态特性是指IGBT在开关期间的特性。
鉴于IGBT的等效电路，要控制这个器件，必须驱动MOSFET 元件。
这就是说，IGBT的驱动系统实际上应与MOSFET的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。
如前文所述，当通过栅极提供栅正偏压时，在MOSFET部分形成一个N沟道。
如果这一电子流产生的电压处于0.7V范围内，P+ / N- 则处于正向偏压控制，少数载流子注入N 区，形成一个空穴双极流。
导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函数。
通过改变栅电阻Rg (图4)值来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，输出寄生电容Cge 和Cgc可实现不同的电荷速率。
换句话说，通过改变Rg值，可以改变与Rg (Cge+Cgc) 值相等的寄生净值的时间常量(如图4所示)，然后，改变dV/dti。
数据表中常用的驱动电压是15V。
一个电感负载的开关波形见图5，di/dt是Rg的一个函数，如图6所示，栅电阻对IGBT的导通速率的影响是很明显的。
因为Rg数值变化也会影响dv/dt斜率，因此，Rg值对功耗的影响很大。
在关断时，再次出现了我们曾在具有功率MOSFET和BJT 器件双重特性的等效模型中讨论过的特性。
当发送到栅极的信号降低到密勒效应初始值时，VCE开始升高。
如前文所述，根据驱动器的情况，VCE达到最大电平而且受到Cge和Cgc的密勒效应影响后，电流不会立即归零，相反会出现一个典型的尾状，其长度取决于少数载流子的寿命。
在IGBT处于正偏压期间，这些电荷被注入到N区，这是IGBT与MOSFET开关对比最不利特性之主要原因。
降低这种有害现象有多种方式。
例如，可以降低导通期间从P+基片注入的空穴数量的百分比，同时，通过提高掺杂质水平和缓冲层厚度，来提高重组速度。
由于VCE(sat) 增高和潜在的闩锁问题，这种排除空穴的做法会降低电流的处理能力。
安全运行区SOA按电流和电压划分，一个IGBT的安全运行区可以分为三个主要区域，如下表所示：这三个区域在图8中很容易识别。
通常每一张数据表都提供了正向导通(正向偏置安全运行区FBSOA)、反向(反向偏置安全运行区RBSOA)和短路(短路安全运行SCSOA)时描述强度的曲线。
详细内容：FBSOA这部分安全运行区是指电子和空穴电流在导通瞬态时流过的区域。
在IC处于饱和状态时，IGBT所能承受的最大电压是器件的物理极限，如图8所示。
RBSOA这个区域表示栅偏压为零或负值但因空穴电流没有消失而IC依然存在时的关断瞬态。
如前文所述，如果电流增加过多，寄生晶体管会引发闩锁现象。
当闩锁发生时，栅极将无法控制这个器件。
最新版的IGBT没有这种类型的特性，因为设计人员改进了IGBT的结构及工艺，寄生SCR的触发电流较正常工作承受的触发电流(典型Ilatch>5 IC 正常)高出很多。
关于闭锁电流分别作为结温和栅电阻的一个函数的变化情况，见图9和10。
SCSOASCSOA是在电源电压条件下接通器件后所测得的驱动电路控制被测试器件的时间最大值。
图11所示是三个具有等效特性但采用不同技术制造的器件的波形及关断时间。
最大工作频率开关频率是用户选择适合的IGBT时需考虑的一个重要的参数，所有的硅片制造商都为不同的开关频率专门制造了不同的产品。
特别是在电流流通并主要与VCE(sat)相关时，把导通损耗定义成功率损耗是可行的。
这三者之间的表达式：Pcond = VCE IC ，其中，是负载系数。
开关损耗与IGBT的换向有关系；但是，主要与工作时的总能量消耗Ets相关，并与终端设备的频率的关系更加紧密。
Psw = Ets总损耗是两部分损耗之和：Ptot = Pcond + Psw在这一点上，总功耗显然与Ets 和VCE(sat)两个主要参数有内在的联系。
这些变量之间适度的平衡关系，与IGBT技术密切相关，并为客户最大限度降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。
因此，为最大限度地降低功耗，根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的电平特性，用户应选择不同的器件。
功率模块IGBT、IPM、PIM 的性能及使用时有关问题的综述1 IGBT主要用途IGBT是先进的第三代功率模块，工作频率1-20KHZ，主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路，即DC/AC变换中。
例电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。
问世迄今有十年多历史，几乎已替代一切其它功率器件，例SCR、GTO、GTR、MOSFET，双极型达林顿管等,目今功率可高达1MW的低频应用中，单个元件电压可达4.0KV（PT结构）— 6.5KV（NPT结构），电流可达1.5KA，是较为理想的功率模块。
追其原因是第三代IGBT模块，它是电压型控制，输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率高，元件容量大等优点。
实质是个复合功率器件，它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体化。
又因先进的加工技术使它通态饱和电压低，开关频率高（可达20KHZ），这两点非常显著的特性，最近西门子公司又推出低饱和压降（2.2V）的NPT—IGBT性能更佳，相继东芝、富士、IR、摩托罗拉亦已在开发研制新品种。
IGBT发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成本为目标的，特别是发展高压变频器的应用，简化其主电路，减少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等，都与IGBT有密切的内在联系，所以世界各大器件公司都在奋力研究、开发，予估近2-3年内，会有突破性的进展。