IGBT的工作原理、作用及選型要求

第第頁(yè)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(gè)極控制。如圖1，IGBT的開關(guān)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(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電，使IGBT關(guān)斷。由圖2可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則（MOSFET）導(dǎo)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(dǎo)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1IGBT結(jié)構(gòu)圖

圖2IGBT（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(qū)動(dòng)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(huì)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(huì)超限，導(dǎo)致IGBT的結(jié)溫超過允許值，此時(shí)IGBT也有可能會(huì)永久損壞。

IGBT的作用

IGBT是一種功率晶體管，運(yùn)用此種晶體設(shè)計(jì)之UPS可有效提升產(chǎn)品效能，使（電源）品質(zhì)好、效率高、熱損耗少、噪音低、體積小與產(chǎn)品壽命長(zhǎng)等多種優(yōu)點(diǎn)。

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(diào)的交流電。它有陰極，陽(yáng)極，和控制極。關(guān)斷的時(shí)候其阻抗是非常大的基本是斷路，接通的時(shí)候存在很小的電阻，通過接通或斷開控制極來(lái)控制陰極和陽(yáng)極之間的接通和關(guān)斷。

IGBT選型四個(gè)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(shí)候的保護(hù)。這個(gè)是開通和關(guān)斷時(shí)候的波形，這個(gè)是相關(guān)的開通和關(guān)斷時(shí)候的定義。我們做設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)溫的要求，比如長(zhǎng)期工作必須保證溫度在安全結(jié)溫之內(nèi)，做到這個(gè)保證的前提是需要把這個(gè)模塊相關(guān)的應(yīng)用參數(shù)提供出來(lái)。這樣結(jié)合這個(gè)參數(shù)以后，結(jié)合選擇的IGBT的（芯片），還有封裝和電流，來(lái)計(jì)算產(chǎn)品的功耗和結(jié)溫，是否滿足安全結(jié)溫的需求。

2、熱限制

熱限制就是我們脈沖功，時(shí)間比較短，它可能不是一個(gè)長(zhǎng)期的工作點(diǎn)，可能突然增加，這個(gè)時(shí)候就涉及到另外一個(gè)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)熱阻，我們叫做熱阻抗。這個(gè)波動(dòng)量會(huì)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(dòng)量非常小，這個(gè)壽命才長(zhǎng)。

3、封裝要求

封裝要求主要體現(xiàn)在外部封裝材料上面，在結(jié)構(gòu)上面，其實(shí)也會(huì)和封裝相關(guān)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)布局和結(jié)構(gòu)的問題，不同的設(shè)計(jì)它的差異性很大。

4、可靠性要求

可靠性問題，剛才說到結(jié)溫波動(dòng)，其中最擔(dān)心就是結(jié)溫波動(dòng)以后，會(huì)影響到這個(gè)綁定線和硅片之間的焊接，時(shí)間久了，這兩種材料本身之間的熱抗系數(shù)都有差異，所以在結(jié)溫波動(dòng)情況下，長(zhǎng)時(shí)間下來(lái)，如果工藝不好的話，就會(huì)出現(xiàn)裂痕甚至斷裂，這樣就會(huì)影響保護(hù)壓降，進(jìn)一步導(dǎo)致ICBT失效。第二個(gè)就是熱循環(huán)，主要體現(xiàn)在硅片和（DC）B這個(gè)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(gè)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(jīng)過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開關(guān)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(jù)IGBT規(guī)格的電壓等級(jí)，選擇1200V電壓等級(jí)的IGBT。

2、IGBT額定電流的選擇

以30kW變頻器為例，負(fù)載電流約為79A，由于負(fù)載電氣啟動(dòng)或加速時(shí)，電流過載，一般要求1分鐘的時(shí)間內(nèi)，承受1.5倍的過流，擇最大負(fù)載電流約為119A，建議選擇150A電流等級(jí)的IGBT。

3、IGBT開關(guān)參數(shù)的選擇

變頻器的開關(guān)頻率一般小于10kHZ，而在實(shí)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(shí)，必須有正向柵電壓，常用的柵驅(qū)動(dòng)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(guān)系，在設(shè)計(jì)IGBT（驅(qū)動(dòng)電路）時(shí)，參考IGBTDatasheet中的額定Rg值，設(shè)計(jì)合適驅(qū)動(dòng)參數(shù)，保證合理正向柵電壓。因?yàn)镮GBT的工作狀態(tài)與正向棚電有很大關(guān)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(yīng)

為了降低Miller效的影響，在IGBT柵驅(qū)動(dòng)電路中采用改進(jìn)措施：（1）開通和關(guān)斷采用不同柵電阻Rg，ON和Rg，off，確保IGBT的有效開通和關(guān)斷;（2）柵源間加（電容）c，對(duì)Miller效應(yīng)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行能量泄放;（3）關(guān)斷時(shí)加負(fù)柵壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用三者合理組合，對(duì)改進(jìn)Miller效的效果更佳。

IGBT使用注意事項(xiàng)

（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(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸；

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

（4）在焊接作業(yè)時(shí)，設(shè)備容易引起靜電的產(chǎn)生，為了防止靜電的產(chǎn)生，請(qǐng)先將設(shè)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(chǎng)所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)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(jī)加濕。

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