IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由(BJT)雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MOS)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有(MOSFET)金氧半場(chǎng)效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管(GTR)的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;(因?yàn)閂be=0.7V,而Ic可以很大(跟PN結(jié)材料和厚度有關(guān)))MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。(因?yàn)镸OS管有Rds，如果Ids比較大，就會(huì)導(dǎo)致Vds很大)

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

?IGBT的開關(guān)頻率上限主要取決于其工作條件和散熱設(shè)計(jì)。?

IGBT的開關(guān)頻率是指在一秒鐘內(nèi)IGBT開關(guān)的次數(shù)。每次開關(guān)都會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，包括開通損耗、關(guān)斷損耗和二極管反向恢復(fù)損耗。開關(guān)頻率越高，開關(guān)次數(shù)越多，損耗功率也越高，這會(huì)導(dǎo)致IGBT的溫度升高。如果溫度升高到超過IGBT的上限，IGBT就會(huì)失效?1。因此，IGBT的開關(guān)頻率上限主要受限于其結(jié)溫是否會(huì)超過上限。

在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的開關(guān)頻率通常在10kHz到20kHz之間。例如，在電驅(qū)系統(tǒng)中，IGBT的開關(guān)頻率一般為10-20kHz。在某些情況下，通過降頻策略可以避免IGBT溫度過高，例如在堵轉(zhuǎn)時(shí)降低開關(guān)頻率以增加堵轉(zhuǎn)的持續(xù)時(shí)間，從而減少溫度升高?2。此外，使用大標(biāo)稱電流的IGBT在工作在小電流下時(shí)，其開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗都會(huì)減小，這使得大IGBT更有可能用在更高的開關(guān)頻率?。

新技術(shù)和新工藝的不斷進(jìn)步也使得IGBT的開關(guān)頻率上限有所提高。例如，應(yīng)用頻率硬開關(guān)的范圍為5kHz到40kHz，軟開關(guān)則為40kHz到150kHz?3。然而，這些技術(shù)的具體應(yīng)用還需要考慮IGBT的散熱設(shè)計(jì)和工作環(huán)境等因素。

IGBT基礎(chǔ)概覽與應(yīng)用指南

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)IGBT進(jìn)行了系統(tǒng)性的梳理和整合。IGBT，作為電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，不僅融合了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，更以其高工作頻率、高電流性能和低開關(guān)損耗等特點(diǎn)，為電動(dòng)汽車的穩(wěn)定性和安全性提供了有力保障。在電力電子裝置中，IGBT扮演著“大腦”的角色，精準(zhǔn)控制電能，從而顯著提升整車的能源效率和性能。

接下來，我們將深入探討IGBT的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適用范圍，并通過與其他功率器件的比較，揭示其在不同領(lǐng)域中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品的分析，我們將為您詳細(xì)解答IGBT的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及與其他功率器件的差異等問題。

1 短路特性回顧

短路特性是評(píng)估IGBT性能的重要指標(biāo)之一。在短路狀態(tài)下，IGBT的行為和特性直接關(guān)系到其保護(hù)策略和整體性能。因此，對(duì)短路特性的深入理解和分析顯得尤為重要。

2 短路特性試驗(yàn)

為了全面了解IGBT的短路特性，需要通過一系列的試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。這些試驗(yàn)包括但不限于短路電流測(cè)試、熱阻抗測(cè)試以及失效模式分析等，旨在深入剖析IGBT在短路條件下的行為和響應(yīng)。

3 短路特性結(jié)果分析

通過對(duì)短路特性試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，可以揭示IGBT在短路狀態(tài)下的電流、電壓以及溫度等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律。這些分析結(jié)果不僅有助于我們更好地理解IGBT的工作原理和性能特點(diǎn)，也為功率器件的保護(hù)策略提供了重要的依據(jù)。

4 為什么短路特性是功率器件保護(hù)的關(guān)鍵?

短路特性對(duì)功率器件的保護(hù)至關(guān)重要。在短路狀態(tài)下，IGBT的電流和溫度可能急劇上升，如果不采取有效的保護(hù)措施，可能導(dǎo)致器件的損壞甚至引發(fā)安全事故。因此，深入理解和分析短路特性，對(duì)于確保功率器件的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

9 IGBT產(chǎn)品陣容中的內(nèi)置快恢復(fù)二極管

1 什么是內(nèi)置FRD?

內(nèi)置FRD(Fast Recovery Diode)是指IGBT產(chǎn)品中集成的快恢復(fù)二極管。這種設(shè)計(jì)使得IGBT不僅具備開關(guān)速度快、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)，還具備了二極管的反向恢復(fù)能力，進(jìn)一步優(yōu)化了整機(jī)的性能和效率。

2 為什么要內(nèi)置FRD?

內(nèi)置FRD的設(shè)計(jì)可以有效地簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。同時(shí)，它還能提高整機(jī)的能源利用效率和響應(yīng)速度，為電動(dòng)汽車等電力電子裝置帶來更加出色的性能表現(xiàn)。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中FRD的關(guān)鍵特性

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中，F(xiàn)RD扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅負(fù)責(zé)將電能從電源傳輸?shù)诫姍C(jī)，還承擔(dān)著保護(hù)IGBT和整個(gè)系統(tǒng)免受過電壓和過電流損害的任務(wù)。因此，了解FRD的關(guān)鍵特性對(duì)于確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。

IGBT，作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的核心元件，其種類繁多，但主要可劃分為N溝道型和P溝道型兩大類。目前，市場(chǎng)上主流的IGBT產(chǎn)品為N溝道型。在N溝道型IGBT中，當(dāng)其柵極與發(fā)射極間施加正電壓時(shí)，IGBT便會(huì)通過電壓控制使集電極與發(fā)射極之間導(dǎo)通，從而允許集電極電流順暢流過。為了更深入地理解IGBT的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們可以借助電路圖和等效電路來進(jìn)行直觀的分析。

在IGBT的等效電路中，我們能看到IGBT由柵極(G)、集電極(C)和發(fā)射極(E)三個(gè)關(guān)鍵電極構(gòu)成。當(dāng)柵極電壓超過特定閾值時(shí)，IGBT即開始導(dǎo)通，使電流能夠從集電極順利流向發(fā)射極。這一導(dǎo)通過程中，IGBT的導(dǎo)通壓降以及開關(guān)速度等性能參數(shù)都對(duì)其整體性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

此外，IGBT還以其卓越的性能參數(shù)脫穎而出，包括高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、高電流密度以及低導(dǎo)通壓降等。這些特點(diǎn)使得IGBT在高壓、大功率的應(yīng)用場(chǎng)景中如魚得水，無論是電力傳動(dòng)、新能源發(fā)電，還是軌道交通，IGBT都能展現(xiàn)出其卓越的性能。

進(jìn)一步探討IGBT的內(nèi)在原理，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它巧妙地融合了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)。IGBT擁有柵極、集電極和發(fā)射極三個(gè)關(guān)鍵電極，其中柵極設(shè)計(jì)類似于MOSFET，而集電極和發(fā)射極則與雙極晶體管相通。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得IGBT在保持高輸入阻抗和快速開關(guān)速度的同時(shí)，還能在高電壓條件下實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，從而顯著提升了電力電子系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT因其出色的高壓性能而備受推崇，而MOSFET則更適用于低電壓環(huán)境。然而，這兩種器件并非孤立存在，它們?cè)陔娏﹄娮宇I(lǐng)域中相互補(bǔ)充，根據(jù)具體需求進(jìn)行合理應(yīng)用，共同推動(dòng)電力電子系統(tǒng)的高效發(fā)展。

0 IGBT適用范圍與應(yīng)用產(chǎn)品關(guān)系解析

接下來，我們將深入探討IGBT的適用范圍與其在實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品之間的關(guān)聯(lián)。為此，我們參考了相關(guān)圖表，并結(jié)合之前的討論，從輸出容量和工作頻率兩個(gè)角度，詳細(xì)剖析了IGBT分立產(chǎn)品、IGBT模塊以及Si MOSFET分立產(chǎn)品的適用范圍。圖表清晰地揭示了以下兩點(diǎn)：

在處理高電壓、大電流的電車和混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車領(lǐng)域，IGBT模塊憑借其卓越性能成為主流選擇，盡管某些應(yīng)用可能同時(shí)適用于多種器件。

分立式IGBT和Si MOSFET則在家電和小型工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用中占據(jù)一席之地，這些領(lǐng)域在選擇器件時(shí)，主要依據(jù)工作頻率方面的優(yōu)勢(shì)來做出決策。

總之，在選擇功率器件時(shí)，我們需依據(jù)實(shí)際需求和條件。IGBT因其在高電壓、大電流環(huán)境下的卓越穩(wěn)定性和可靠性而受到青睞;而Si MOSFET則憑借其高速開關(guān)能力和低導(dǎo)通電阻在高頻操作應(yīng)用中脫穎而出。此外，在大容量應(yīng)用場(chǎng)合下，IGBT模塊相較于分立器件更顯優(yōu)勢(shì)。

接下來，我們將進(jìn)一步探討IGBT的基本結(jié)構(gòu)。IGBT作為MOSFET與雙極晶體管的結(jié)合體，N溝道IGBT已成為市場(chǎng)主流。通過分析IGBT的電路圖符號(hào)和等效電路，我們可以深入了解其工作原理：柵極電壓的控制使得集電極與發(fā)射極之間能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通與關(guān)斷的切換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的有效控制。