IGBT的工作原理、作用及选型要求

IGBT由栅极（G）、发射（E）和集电极（C）三个极控制。 如图1，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，使IGBT关断。 由图2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0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

图1 IGBT 结构图

图2 IGBT电气符（左）与等效的电路图（右）

如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低则IGBT不能稳定的工作，如果过高甚至超过栅极—发射极之间的耐压，则IGBT可能会永久损坏。 同样，如果IGBT集电极与发射极之间的电压超过允许值，则流过IGBT的电流会超限，导致IGBT的结温超过允许值，此时IGBT也有可能会永久损坏。

IGBT的作用

IGBT是一种功率晶体管，运用此种晶体设计之UPS可有效提升产品效能，使电源品质好、效率高、热损耗少、噪音低、体积小与产品寿命长等多种优点。

IGBT主要用于变频器逆变和其他逆变电路。 将直流电压逆变成频率可调的交流电。 它有阴极，阳极，和控制极。 关断的时候其阻抗是非常大的基本是断路，接通的时候存在很小的电阻，通过接通或断开控制极来控制阴极和阳极之间的接通和关断。

IGBT选型四个基本要求

1、安全工作区

在安全上面，主要指的就是电的特性，除了常规的变压电流以外，还有RBSOA（反向偏置安全工作区）和短路时候的保护。 这个是开通和关断时候的波形，这个是相关的开通和关断时候的定义。 我们做设计时结温的要求，比如长期工作必须保证温度在安全结温之内，做到这个保证的前提是需要把这个模块相关的应用参数提供出来。 这样结合这个参数以后，结合选择的IGBT的芯片，还有封装和电流，来计算产品的功耗和结温，是否满足安全结温的需求。

2、热限制

热限制就是我们脉冲功，时间比较短，它可能不是一个长期的工作点，可能突然增加，这个时候就涉及到另外一个指标，动态热阻，我们叫做热阻抗。 这个波动量会直接影响到IGBT的可靠性，就是寿命问题。 你可以看到50赫兹波动量非常小，这个寿命才长。

3、封装要求

封装要求主要体现在外部封装材料上面，在结构上面，其实也会和封装相关，因为设计的时候会布局和结构的问题，不同的设计它的差异性很大。

4、可靠性要求

可靠性问题，刚才说到结温波动，其中最担心就是结温波动以后，会影响到这个绑定线和硅片之间的焊接，时间久了，这两种材料本身之间的热抗系数都有差异，所以在结温波动情况下，长时间下来，如果工艺不好的话，就会出现裂痕甚至断裂，这样就会影响保护压降，进一步导致ICBT失效。 第二个就是热循环，主要体现在硅片和DCB这个材料之间，他们之间的差异性。 如果失效了以后，就分层了，材料与材料之间特性不一样，就变成这样情况的东西，这个失效很明显。

IGBT如何选型

1、IGBT额定电压的选择

三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值：在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。

2、IGBT额定电流的选择

以30kW变频器为例，负载电流约为79A，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流，择最大负载电流约为119A ，建议选择150A电流等级的IGBT。

3、IGBT开关参数的选择

变频器的开关频率一般小于10kHZ，而在实际工作的过程中，IGBT的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型IGBT。

影响IGBT可靠性因素

1）栅电压

IGBT工作时，必须有正向栅电压，常用的栅驱动电压值为15～187，最高用到20V， 而棚电压与栅极电阻Rg有很大关系，在设计IGBT驱动电路时， 参考IGBT Datasheet中的额定Rg值，设计合适驱动参数，保证合理正向栅电压。 因为IGBT的工作状态与正向棚电有很大关系，正向栅电压越高，开通损耗越小，正向压降也越小。

2）Miller效应

为了降低Miller效的影响，在IGBT栅驱动电路中采用改进措施：（1）开通和关断采用不同栅电阻Rg，ON和Rg，off，确保IGBT的有效开通和关断; （2）栅源间加电容c，对Miller效应产生的电压进行能量泄放; （3）关断时加负栅压。 在实际设计中，采用三者合理组合，对改进Mille r效的效果更佳。

IGBT使用注意事项

（1）操作过程中要佩戴防静电手环；

（2）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；

（3）IGBT模块驱动端子上的黑色海绵是防静电材料，用户用接插件引线时取下防静电材料立即插上引线；

（4）在焊接作业时，设备容易引起静电的产生，为了防止静电的产生，请先将设备处于良好的接地状态下。

IGBT如何保管

1、一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。 常温的规定为5℃～35℃，常湿的规定为45%～75%。 在冬天特别干燥的地区，需要加湿机加湿。

2、尽量远离有腐蚀性气或灰尘较多的场合。

3、在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方。

4、IGBT模块在未投入生产时不要裸露放置，防止端子氧化情况的发生。

审核编辑：汤梓红