电动汽车动力系统中IGBT全面解析

以下文章来源于SysPro系统工程智库 ，作者SysPro系统工程

导语：IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，作为MOSFET和双极晶体管的复合器件，是电动汽车动力系统的核心部件，以其高工作频率、高电流性能和低开关损耗等特点，确保了电动汽车的稳定性和安全性。它不仅是电力电子装置中的"大脑"，精准控制电能，还显著提升了整车的能源效率和性能。在电动汽车的成本构成中，IGBT占据了重要比例，是除电池外成本第二高的元件。

今天将详细探讨IGBT的工作原理、结构特点、适用范围，以及与其他功率器件(如MOSFET和双极晶体管)的比较，并通过实际应用产品的分析，揭示IGBT在不同领域中的独特优势。

主要回答的问题包括：IGBT的基本结构和工作原理是什么?IGBT相较于其他功率器件有哪些独特特点?IGBT的适用范围及主要应用领域有哪些?以及在实际应用中，如何根据具体需求选择合适的IGBT产品或模块?

01什么是IGBT?

1.1 IGBT初识

IGBT，全称”Insulated Gate Bipolar Transistor“，中文名为”绝缘栅双极晶体管“，是一种由MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和双极晶体管组成的复合器件。这种复合设计使得IGBT同时具备了MOSFET和双极晶体管的优点，成为了一种高性能的功率晶体管。|SysPro说明：至于为什么说具备了两者优点?请继续往下看。

图片来源：英飞凌

IGBT主要分为N沟道型和P沟道型两种，其中N沟道型是目前市场上的主流产品，在N沟道型IGBT中，当栅极相对于发射极施加正电压时，与MOSFET类似，通过电压控制使集电极与发射极之间导通，允许集电极电流流过。

为了更直观地理解IGBT的工作原理和结构，我们可以参考下图。下图展示了N沟道IGBT的电路图符号及其等效电路。在IGBT的等效电路中，我们可以看到其由栅极(G)、集电极(C)和发射极(E)三个主要电极组成。当栅极电压超过一定阈值时，IGBT开始导通，允许电流从集电极流向发射极。这一过程中，IGBT的导通压降和开关速度等性能参数都发挥着重要作用。

图片来源：硬件攻城狮

此外，IGBT的优越性能还体现在其高输入阻抗、低驱动功率、高电流密度和低导通压降等方面。这些特点使得IGBT在高压、大功率的应用场合中表现出色，如电力传动、新能源发电和轨道交通等领域。

1.2 IGBT = MOSFET+双极晶体管?

如上文所述，IGBT是一种集成了MOSFET和双极晶体管优点的复合功率器件。它具备栅极、集电极、发射极三个引脚，其中栅极的设计与MOSFET相似，而集电极和发射极则与双极晶体管保持一致。

IGBT之所以备受青睐，正是因为它巧妙地结合了MOSFET和双极晶体管的优点。

MOSFET：因栅极绝缘而拥有高输入阻抗和较快的开关速度，但在高电压下导通电阻较高

双极晶体管：虽能在高电压下保持低导通电阻，却面临输入阻抗低和开关速度慢的局限。IGBT则取长补短，既具备高输入阻抗和相对快速的开关速度，又能在高电压条件下实现低导通电阻。

在实际应用中，IGBT因其在高电压应用中的出色表现而备受青睐，而MOSFET则更适合低电压环境。这些器件在各自擅长的领域内发挥着重要作用，确保了电力电子系统的高效运行。

02IGBT与MOSFET的不同形式及其应用范围

IGBT和MOSFET等功率元器件，在电力电子领域应根据其各自的特点进行合理应用，以充分发挥其性能优势。这些元器件不仅以单品(分立半导体)的形式被广泛使用，而且，将元

器件与其他基础组件结合形成的“模块”形式，也拥有极为广泛的应用范围。如下图所示为英飞凌集成IGBT和SIC的HybridPACK Drive G2 module FS1150。

为了更直观地展示这些功率元器件的应用领域，我们可以参考下图，从输出容量和开关频率两个维度出发，绘制了IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET、双极晶体管的适用范围。我们可以清晰地看出：不同种类的功率元器件在不同条件下都有其独特的优势。

具体而言：IGBT分立产品的工作频率范围在1kHz到60kHz的区间，同时其输出容量也稍高于1kVA。而当IGBT以模块形式应用时，尽管工作频率的上限与分立产品相似，但其输出容量却可显著提升，最高可达100MVA以上。值得注意的是，随着输出容量的增加，由于开关损耗等因素的制约，IGBT的工作频率会相应降低。

因此，在选择和使用时，我们需要根据具体的应用需求和工作环境，合理选择IGBT、MOSFET等元器件及其模块形式，以实现最佳的性能和效益。

图片来源：Tech Web

03IGBT适用范围与应用产品关系解析

下面我们接着聊聊：IGBT的适用范围与其在实际应用产品之间的关系。

为了更清晰地展示这一点，我们参考下图，在02所述内容的基础上，从输出容量和工作频率两个维度出发，详细列出了IGBT分立产品、IGBT模块、Si MOSFET分立产品的适用范围。从图中可以读出两点信息：

1. 尽管某些应用产品在多个器件的适用范围内存在重叠，但在处理高电压、大电流的电车和混合动力/电动汽车领域，IGBT模块仍然是主流产品。

2. 分立式IGBT和Si MOSFET在家电和小型工业设备等应用中有着广泛的需求，这些领域主要根据工作频率方面的优势来选择使用哪种器件。

图片来源：ROHM

总之，我们在实际应用中根据实际情况选择合适的功率器件。简单概括：IGBT因其在高电压、大电流条件下的稳定性和可靠性而被选中;而Si MOSFET则因其较高的开关速度和较低的导通电阻而在需要高频操作的应用中被选中;此外，IGBT模块相比分立器件，在大容量应用场合下相比更具优势。

04IGBT基本结构说明(简明易懂)

如上面所述，IGBT作为MOSFET和双极晶体管的复合器件，N沟道IGBT以其出色的性能成为了市场的主流产品。为了更深入地理解IGBT半导体的结构及其工作原理，我们可以借用下图的IGBT的电路图符号、等效电路，理解其如何通过栅极电压控制集电极和发射极之间的导通与关断，从而实现对电流的有效控制的?

图片来源：ROHM

在上面我们提到过：IGBT是一种集成了MOSFET和双极晶体管优点的复合功率器件，可以简单理解：IGBT = 一个N沟道MOSFET+一个PNP晶体管。具体来讲：

IGBT的发射极和集电极，来自于PNP晶体管

IGBT的栅极来自于MOSFET

MOSFET的漏极与PNP晶体管的基极接在一起

图片来源：网络

在N沟道IGBT中，当栅极相对于发射极施加正电压VGE时，例如15V，IGBT的工作原理与MOSFET类似，MOSFET开通，那么PNP晶体管基极被拉低，集电极与发射极之间将导通，此时集电极电流IC会源源不断地流向发射极。

为了更直观地理解IGBT的内部结构和工作原理，我们可以参考下图的IGBT半导体结构示意图以及对应的等效电路图。图中，蓝色箭头(->)表示集电极电流IC的流动方向，我们可以将其与旁边的等效电路图进行对比，以更深入地理解IGBT的工作原理。

图片来源：ROHM

如上图所示，在N型沟道MOSFET的漏极一侧有一层P+集电极层。从集电极至发射极，其结构呈现出P型-N型-P型-N型的独特排列。在等效电路图中，我们站在IGBT的3个引脚视角理解下其结构：：

IGBT栅极：Nch MOSFET的栅极与IGBT的栅极完全等同，位于一层绝缘膜之上

IGBT集电极：PNP 晶体管的发射极是 P+层，相当于 IGBT 的集电极

IGBT的N-漂移层：Nch MOSFET的漏极与PNP晶体管的基极等同，在功能上对应于IGBT的N-漂移层

IGBT发射极：Nch MOSFET的源极与PNP晶体管的发射极相连，在功能上对应于IGBT地发射极N+层。

|SysPro说明：为了便于后续上述，补充说明下图中N型Mosfet。

Nch Mosfet，即N沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管(N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。

结构上：Nch Mosfet的主要结构包括源极(Source)、漏极(Drain)、栅极(Gate)和衬底(或称为主体，Body)。其中，源极和漏极位于N型半导体材料中，而栅极则通过一层薄氧化物绝缘层与沟道隔离。衬底通常是P型半导体，与源极相连或短接。

图片来源：SysPro系统工程智库

MOSFET工作原理：

1. 栅极电压控制：当栅极电压相对于源极为正时，栅极下方的氧化物绝缘层中的电场会吸引沟道中的电子，形成一层导电沟道。这个沟道允许源极和漏极之间的电流流动。

2. 导通与截止：通过调整栅极电压的大小，可以控制沟道的宽度和导电性，从而控制源极和漏极之间的电流。当栅极电压足够高时，沟道完全导通，电流可以自由流动;当栅极电压降低时，沟道逐渐变窄，电流减小;当栅极电压低于某一阈值时，沟道关闭，电流被阻断。

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PNP晶体管...

MOSFET...

IGBT...

三者有什么关系呢?...

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短路电流ISC

短路时IGBT所能承受的时间Tp

|SysPro说明：

1. 短路电流I_SC是针对短路类型I定义的(短路测试的要求)

2. 在实际应用中，实际的短路时间不要超过T_P的定义值，一般为10us，如上图。

下图说明了短路类型I和短路类型II的物理含义：

图片来源：英飞凌

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