IGBT是什麼

絕緣柵雙極型電晶體，是由BJT（雙極型三極體）和MOS（絕緣柵型場效電晶體）組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

工作原理

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方法

：IGBT是強電流、高壓應用和快速終端裝置用垂直功率MOSFET的自然進化。由於實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數值高的特徵，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS（on）特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE（sat）的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支援更高電流密度，並簡化IGBT驅動器的原理圖。

2

導通

：IGBT矽片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩衝層（NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分）。如等效電路圖所示（圖1），其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和 N+ 區之間建立了一個J1結。 當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，並完全按照功率 MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0。7V範圍內，那麼，J1將處於正向偏壓，一些空穴注入N-區內，並調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，並啟動了第二個電荷流。最後的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流（MOSFET 電流）； 空穴電流（雙極）。

3

關斷

：當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低於門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始後，在N層內還存在少數的載流子（少子）。這種殘餘電流值（尾流）的降低，完全取決於關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特徵尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極體的裝置上，問題更加明顯。鑑於尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與晶片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關係。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端裝置設計上的電流的不理想效應是可行的。

4阻斷與閂鎖：

當集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴充套件。因為過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區域尺寸，就會連續地提高壓降。 第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的壓力降高的原因。當柵極和發射極短接並在集電極端子上施加一個正電壓時，P/N J3接受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT工作特性

IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

引起IGBT失效的原因

1、過熱容易損壞集電極，電流過大引起的瞬時過熱及其主要原因，是因散熱不良導致的持續過熱均會使IGBT損壞。如果器件持續短路 ，大電流產生的功耗將引起溫升，由於晶片的熱容量小，其溫度迅速上升，若晶片溫度超過矽本徵溫度，器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護，從而導致IGBT失效。實際應用時，一般最高允許的工作溫度為125℃左右。

2、超出關斷安全工作區引起擎住效應而損壞。擎住效應分靜態擎住效應和動態擎住效應。IGBT為PNPN 4層結構，因體記憶體在一個寄生閘流體，當集電極電流增大到一定程度時，則能使寄生閘流體導通，門極失去控制作用，形成自鎖現象，這就是所謂的靜態擎住效應。IGBT發生擎住效應後，集電極電流增大，產生過高功耗，導致器件失效。動態擎住效應主要是在器件高速關斷時電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，也能造成寄生閘流體自鎖。

3、瞬態過電流IGBT在執行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還有續流二極體的反向恢復電流、緩衝電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態過電流雖然持續時間較短，但如果不採取措施，將增加IGBT的負擔，也可能會導致IGBT失效 。4、過電壓造成集電極、發射極擊穿或造成柵極、發射極擊穿。

IGBT保護的方法

當過流情況出現時，IGBT必須維持在短路安全工作區內。IGBT承受短路的時間與電源電壓、柵極驅動電壓以及結溫有密切關係。為了防止由於短路故障造成IGBT損壞，必須有完善的檢測與保護環節。一般的檢測方法分為電流感測器和IGBT欠飽和式保護。

1、立即關斷驅動訊號

在逆變電源的負載過大或輸出短路的情況下，透過逆變橋輸入直流母線上的電流感測器進行檢測。當檢測電流值超過設定的閾值時，保護動作封鎖所有橋臂的驅動訊號。這種保護方法最直接，但吸收電路和箝位電路必須經特別設計，使其適用於短路情況。這種方法的缺點是會造成IGBT關斷時承受應力過大，特別是在關斷感性超大電流時， 必須注意擎住效應。

2、先減小柵壓後關斷驅動訊號

IGBT的短路電流和柵壓有密切關係，柵壓越高，短路時電流就越大。在短路或瞬態過流情況下若能在瞬間將vGS分步減少或斜坡減少，這樣短路電流便會減小下來，長允許過流時間。當IGBT關斷時，di/dt也減小。限制過電流幅值。

IGBT與可控矽的區別

IGBT與閘流體

1。整流元件（閘流體）

簡單地說：整流器是把單相或三相正弦交流電流透過整流元件變成平穩的可調的單方向的直流電流。其實現條件主要是依靠整流管，閘流體等元件透過整流來實現。除此之外整流器件還有很多，如：可關斷閘流體GTO，逆導閘流體，雙向閘流體，整流模組，功率模組IGBT，SIT，MOSFET等等，這裡只探討閘流體。

閘流體又名可控矽，通常人們都叫可控矽。是一種功率半導體器件，由於它效率高，控制特性好，壽命長，體積小等優點，自上個世紀六十年代以來，獲得了迅猛發展，並已形成了一門獨立的學科。“閘流體交流技術”。 閘流體發展到今天，在工藝上已經非常成熟，品質更好，成品率大幅提高，並向高壓大電流發展。目前國內閘流體最大額定電流可達5000A，國外更大。我國的韶山電力機車上裝載的都是我國自行研製的大功率閘流體。 閘流體的應用：

一、可控整流

如同二極體整流一樣，可以把交流整流為直流，並且在交流電壓不變的情況下，方便地控制直流輸出電壓的大小即可控整流，實現交流——可變直流

二、交流調壓與調功

利用閘流體的開關特性代替老式的接觸調壓器、感應調壓器和飽和電抗器調壓。為了消除閘流體交流調壓產生的高次諧波，出現了一種過零觸發，實現負載交流功率的無級調節即閘流體調功器。交流——可變交流。

三、逆變與變頻 直流輸電：將三相高壓交流整流為高壓直流，由高壓直流遠距離輸送以減少損耗，增加電力網的穩定，然後由逆變器將直流高壓逆變為50HZ三相交流。直流——交流

中頻加熱和交流電動機的變頻調速、串激調速等變頻，交流——頻率可變交流 四、斬波調壓（脈衝調壓）

斬波調壓是直流——可變直流之間的變換，用在城市電車、電氣機車、電瓶搬運車、剷車（叉車）、電氣汽車等，高頻電源用於電火花加工。 五、無觸點功率靜態開關（固態開關）

作為功率開關元件，代替接觸器、繼電器用於開關頻率很高的場合 閘流體導通條件：

閘流體加上正向陽極電壓後，門極加上適當正向門極電壓，使閘流體導透過程稱為觸發。閘流體一旦觸發導通後，門極就對它失去控制作用，通常在門極上只要加上一個正向脈衝電壓即可，稱為觸發電壓。門極在一定條件下可以觸發閘流體導通，但無法使其關斷。要使導通的閘流體恢復阻斷，可降低陽極電壓，或增大負載電阻，使流過閘流體的陽極電流減小至維持電流（IH）（當門極斷開時，閘流體從較大的通態電流降至剛好能保持閘流體導通所需的最小陽極電流叫維持電流），電流會突然降到零，之後再提高電壓或減小負載電阻，電流不會再增大，說明閘流體已恢復阻斷。