电力电子半导体器件(IGBT)(1)
IGBT是什么？
IGBT是什么？作者：海飞乐技术时间：2017-04-13 16:00IGBT是什么？IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管，可以简单理解为IGBT是MOSFET和BJT的组合体。
MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱动电流会比MOSFET 大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。
所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。
从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
图1IGBT实物图左图IGBT模块，右图IGBT管IGBT有什么用？绝缘栅双极晶体管（IGBT）是高压开关家族中最为年轻的一位。
由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。
IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。
IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
IGBT有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。
IGBT
IGBTIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。
应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。
由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。
较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。
如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。
基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。
当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。
如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。
最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流(双极)。
关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。
在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。
IGBT
IGBT本文内容包括IGBT的简介，工作原理，失效问题和保护问题分析。
一．简介IGBT是一种新型的电力半导体器件。
现已成为电力电子领域的新一代主流产品。
它是一种具有MOS输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的器件。
结构上，它是由成千上万个重复单元（即元胞）组成，采用大规模集成电术和功率器件技术制造的一种大功率集成器件。
IGBT具有其它功率器件不全具备的高压、大电流、高速三大特点。
它既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。
它是电力电子领域非常理想的开关器件。
【1】二．工作原理IGBT的结构绝缘栅双极晶体管是一种新型电力半导体器件，它集成MOS栅极控制与双极电导调制以获得高的输入阻抗和低得通态电阻，是目前最理想的功率开关器件。
其基本结构有横向型和纵向型两类，对于高压MOS器件，电流横向流动结构的出现早于电流纵向流动结构，但是其单位面积的最大电流较小，导通电阻较大，因而横向型MOS器件难以实现大功率化。
不过，横向器件便于和其它电路相集成，而且它不需要用高阻外延材料，因而其应用也具有一定的广泛性。
IGBT结构上类似于MOSFET，其不同点是IGBT是在N沟道MOSFET的漏极上增加了一个p+基板，形成PN结J，，栅极与源极则完全与MOSFET相似。
由于IGBT 是在N沟道MOSFET的N十基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP一NPN 晶体管构成IGBT。
但是NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计尽量使NPN 晶体管不起作用。
所以可以认为IGBT是将N沟道MOSFET作为入极、PNP晶体作为输出的单向达林顿管。
在NPT-IGBT中:因为背发射极电流中的电子流成分很大，器件关断时，基区存储的大量电子可以通过背发射区而很快清除掉，空穴可以迅速地流向P阱，所以开关时间短，拖尾电流小，开关损耗小。
IGBT数据手册
IGBT数据手册IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种广泛应用于电力电子设备中的功率半导体器件。
为了帮助用户更好地理解和使用IGBT，以下是一个详细的IGBT数据手册。
1. 引言IGBT数据手册旨在为用户提供有关IGBT的详细信息。
本手册包括IGBT的基本原理、结构、特性参数以及使用和应用建议。
2. IGBT基本原理在本节中，我们将解释IGBT的基本工作原理，包括PN结、COMFET效应、串联二极管等。
此外，还会描述IGBT在电路中的应用方式。
3. IGBT结构该节详细介绍了IGBT的结构，包括P型衬底、N型衬底、漂移区、栅极氧化层、表面耐压区和金属化层等组成部分。
每个组成部分的功能和特点也会在此展开介绍。
4. IGBT特性参数在这一部分，我们列出了IGBT数据手册中常见的特性参数，如最大耐压、最大电流、导通压降、关断特性等。
每个参数的含义和测量方法也会详细说明。
5. IGBT使用指南本节将提供有关IGBT的使用和应用建议。
包括IGBT的散热、驱动电路设计、保护电路设置以及注意事项等方面的内容。
这些指南将帮助用户更好地应用和操作IGBT。
6. IGBT应用示例为了更好地理解IGBT的实际应用，我们将在本节中提供一些IGBT在不同领域的应用示例，如交流调速、电力变换器、电机驱动等。
每个示例将简要介绍应用场景和IGBT在其中的作用。
7. 总结在最后一节中，我们将对整个IGBT数据手册进行总结，并再次强调IGBT的重要性和广泛应用领域。
如果读者有任何疑问或需要进一步了解，也可以参阅其他相关资料或直接联系我们的技术支持团队。
结论：通过本IGBT数据手册，相信用户能够更好地了解和使用IGBT。
同时，本手册也提供了IGBT的基本原理、结构、特性参数以及使用和应用建议等方面的详细信息。
希望本手册对用户有所帮助，并欢迎提供反馈和建议，以便我们进一步改进和完善IGBT数据手册。
电力电子半导体器件(IGBT)
c. 栅分布锁定：是因为绝缘栅旳电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断旳IGBT之中旳电流密度过大而形成局部锁定。
——采用多种工艺措施，能够提升锁定电流，克服因为锁定产生旳失效。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数旳关系：
5．开关损耗与温度和漏极电流关系
（三）擎住效应
IGBT旳锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一种 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管构成。在NPN晶 体管旳基极与发射极之间并有一种体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区旳横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一种正偏置电压。在要求旳漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓旳擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高旳功耗，最终造成器件损坏。
在使用中为了防止IGBT发生擎住现象:
1．设计电路时应确保IGBT中旳电流不超出IDM值； 2．用加大门极电阻RG旳方法延长IGBT旳关断时间，减小重加
dVDS/d t。 3．器件制造厂家也在IGBT旳工艺与构造上想方设法尽量提
高IDM值，尽量防止产生擎住效应。
（四）安全工作区 1．FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。
4．开关特征：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V旳 IGBT约有2~5Ｖ旳通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应旳缘故。
半导体IGBT简介演示
智能化与集成化
随着物联网、人工智能 等技术的发展，未来 IGBT有望实现更高的
智能化水平，如自诊断 、自适应等功能。此外 ，IGBT模块将朝着更 高集成度方向发展，以 降低系统体积和成本。
拓宽应用领域
随着新能源汽车、可再 生能源等领域的快速发 展，IGBT的应用市场 将进一步拓宽。未来， IGBT有望在新兴领域 如无线充电、可穿戴设
。
新能源汽车行业
随着电动汽车市场的崛起，IGBT 在电动汽车充电桩、电机驱动器
等领域的应用不断增加。
可再生能源领域
IGBT在太阳能、风能等可再生能 源发电系统中发挥着重要作用，
实现能源的高效转换。
IGBT技术发展趋势
更高耐压能力
随着应用场景的不断拓展，IGBT需要具备更高的耐压能力，以适 应更高电压和功率的要求。
导通压降
MOSFET在导通状态下 的压降较低，而IGBT的 导通压降相对较高，因 此MOSFET在低压应用 中具有优势。
开关速度
MOSFET的开关速度较 快，适用于高频应用， 而IGBT的开关速度较慢 ，但具有更高的耐压能 力。
与晶闸管的比较
1 2 3
耐压能力
IGBT相对于晶闸管具有更高的耐压能力，使得 IGBT能够应用于更高电压等级的场合。
04
IGBT的市场现状与趋势
IGBT市场规模
快速增长
近年来，IGBT市场规模呈现快速 增长态势，受益于电力电子、新 能源汽车等行业的崛起。
数十亿美元市场
根据市场研究机构的预测，IGBT 市场规模已经达到数十亿美元， 并有望在未来几年内持续增长。
主要应用领域趋势
电力电子行业
IGBT作为电力电子装置中的核心 元器件，广泛应用于变频器、逆 变器等设备，提升能源利用效率
IGBT基础知识汇总
IGBT基础知识汇总1. IGBT是什么？IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由（BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有（MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（GTR）的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；（因为Vbe=0.7V,而Ic可以很大（跟PN结材料和厚度有关））MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
（因为MOS管有Rds，如果Ids比较大，就会导致Vds 很大）IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT最主要的作用就是把高压直流变为交流，以及变频。
（所以用在电动车上比较多）2. IGBT的工作原理忽略复杂的半导体物理推导过程，下面是简化后的工作原理。
IGBT有N沟道型和P沟道型两种，主流的N沟道IGBT的电路图符号及其等效电路如下：所以整个过程就很简单：当栅极G为高电平时，NMOS导通，所以PNP的CE也导通，电流从CE流过。
当栅极G为低电平时，NMOS截止，所以PNP的CE截止，没有电流流过。
IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。
3. IGBT的优缺点优点：1、具有更高的电压和电流处理能力。
2、极高的输入阻抗。
3、可以使用非常低的电压切换非常高的电流。
4、电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。
5、栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求6、通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。
7、具有非常低的导通电阻。
8、具有高电流密度，使其能够具有更小的芯片尺寸。
9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。
10、具有比 BJT 更高的开关速度。
IGBT工作原理
IGBT工作原理引言：IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种广泛应用于电力电子领域的半导体器件，具有高压、高频和高温等特点。
本文将详细介绍IGBT的工作原理及其应用。
一、IGBT的结构IGBT由三个主要部分组成：N沟道型MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、P型BJT（Bipolar Junction Transistor）和绝缘层。
N沟道型MOSFET负责控制电流，P型BJT负责放大电流。
绝缘层用于隔离控制信号和功率信号。
二、IGBT的工作原理当IGBT的控制端施加正向电压时，P型BJT的集电结区域会打开，使得电流可以通过。
同时，N沟道型MOSFET的栅极电压也会增加，进而改变N沟道的导电能力。
这样，控制信号就可以通过控制端调节IGBT的导通程度。
当IGBT的控制端施加负向电压时，P型BJT的集电结区域会关闭，导电能力降低。
此时，IGBT的导通能力会减弱或完全关闭。
因此，控制信号可以控制IGBT的导通和截止状态。
三、IGBT的应用1. 变频器：IGBT广泛应用于变频器中，用于调节交流电机的转速。
通过控制IGBT的导通时间和截止时间，可以改变输出电压和频率，从而实现电机的调速。
2. 逆变器：IGBT被广泛应用于逆变器中，将直流电转换为交流电。
逆变器常用于太阳能发电系统、风能发电系统和电动车辆中，将储存的直流电转换为交流电供电。
3. 电力传输：IGBT可用于电力传输系统中，提高电网的稳定性和效率。
通过控制IGBT的导通和截止时间，可以实现电力的调节和控制。
4. 电力电子设备：IGBT被广泛应用于电力电子设备中，如电源、逆变器、变频器等。
IGBT具有高效率、高频率和高可靠性的特点，可以满足各种电力电子设备的需求。
结论：IGBT是一种重要的半导体器件，具有广泛的应用领域。
本文详细介绍了IGBT 的结构、工作原理以及应用。