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igbt工作原理及接线图
igbt简介

igbt工(gong)作原理及接线(xian)图，我们先了(le)(le)解(jie)一下igbt是什么？IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双(shuang)极型晶体(ti)管(guan)）的缩写，IGBT是由MOSFET和(he)双(shuang)极型晶体(ti)管(guan)复合而成(cheng)的一种器件(jian)，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体(ti)管(guan)，它融和(he)了(le)(le)这两种器件(jian)的优点(dian)，既具有MOSFET器件(jian)驱动功率(lv)(lv)小和(he)开关(guan)速度快的优点(dian)，又具有双(shuang)极型器件(jian)饱和(he)压降低而容量大的优点(dian)，其频(pin)(pin)率(lv)(lv)特性介于MOSFET与功率(lv)(lv)晶体(ti)管(guan)之间，可正(zheng)常工(gong)作于几十kHz频(pin)(pin)率(lv)(lv)范围内，在现代电(dian)力电(dian)子(zi)技术中(zhong)(zhong)得到了(le)(le)越来越广泛的应用，在较高频(pin)(pin)率(lv)(lv)的大、中(zhong)(zhong)功率(lv)(lv)应用中(zhong)(zhong)占据了(le)(le)主导地位(wei)。

IGBT的(de)(de)(de)等(deng)效电(dian)(dian)(dian)路如下(xia)图所示。由下(xia)图可知(zhi)，若(ruo)(ruo)在IGBT的(de)(de)(de)栅极(ji)(ji)和(he)发射极(ji)(ji)之(zhi)间加(jia)上(shang)驱动正电(dian)(dian)(dian)压，则MOSFET导通，这样(yang)PNP晶体(ti)管的(de)(de)(de)集电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)与基(ji)(ji)极(ji)(ji)之(zhi)间成低阻状态而使得晶体(ti)管导通；若(ruo)(ruo)IGBT的(de)(de)(de)栅极(ji)(ji)和(he)发射极(ji)(ji)之(zhi)间电(dian)(dian)(dian)压为0V，则MOS 截(jie)止，切断PNP晶体(ti)管基(ji)(ji)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)(de)供给，使得晶体(ti)管截(jie)止。IGBT与MOSFET一样(yang)也是电(dian)(dian)(dian)压控制(zhi)型器件，在它的(de)(de)(de)栅极(ji)(ji)—发射极(ji)(ji)间施(shi)加(jia)十几(ji)V的(de)(de)(de)直流电(dian)(dian)(dian)压，只有在uA级的(de)(de)(de)漏电(dian)(dian)(dian)流流过，基(ji)(ji)本上(shang)不消(xiao)耗功率(lv)。

通俗来(lai)讲:IGBT是(shi)(shi)一种大功率的电力(li)电子器件，是(shi)(shi)一个(ge)非通即断的开(kai)关，IGBT没(mei)有(you)放大电压的功能，导(dao)通时可以看做导(dao)线，断开(kai)时当做开(kai)路。三大特点就是(shi)(shi)高(gao)压、大电流、高(gao)速(su)。

igbt结构

igbt是一(yi)个三(san)端器件(jian)，它拥有栅极G、集电(dian)极c和(he)发射极E。IGBT的结构、简化(hua)等效电(dian)路和(he)电(dian)气图(tu)形符号如图(tu)所示(shi)。

如图(tu)所示为N沟道VDMOSFFT与GTR组(zu)合的(de)N沟道IGBT(N-IGBT)的(de)内(nei)部结构断面示意图(tu)。IGBT比(bi)VDMOSFET多(duo)一(yi)层P+注入(ru)区，形成(cheng)丁一(yi)个大面积的(de)PN结J1。由(you)于IGBT导(dao)通(tong)时由(you)P+注入(ru)区向N基区发射(she)少子，因而对(dui)漂移区电导(dao)率进行调(diao)制，可仗IGBT具(ju)有(you)很强的(de)通(tong)流能力(li)。介于P+注入(ru)区与N-漂移区之间的(de)N+层称为缓(huan)冲区。有(you)无缓(huan)冲区决定了IGBT具(ju)有(you)不同(tong)特性。

有(you)N*缓(huan)(huan)冲区的IGBT称为非对称型IGBT，也称穿通型IGBT。它(ta)具有(you)正向压(ya)降小、犬断时间短、关(guan)断时尾部电流小等优点(dian)，但其反向阻断能力相(xiang)对较弱(ruo)。无(wu)N-缓(huan)(huan)冲区的IGBT称(cheng)(cheng)为(wei)对称(cheng)(cheng)型IGBT，也称(cheng)(cheng)非(fei)(fei)穿通(tong)型IGBT。它具有较强(qiang)的(de)(de)正反向阻断能力，但(dan)它的(de)(de)其他特性却不及非(fei)(fei)对称(cheng)(cheng)型IGBT。

如下图(b)所示(shi)的简化等(deng)效电路(lu)表(biao)明，IGBT是(shi)由(you)GTR与MOSFET组成的达林顿结构，该结构中的部分是(shi)MOSFET驱(qu)动，另(ling)一部分是(shi)厚基区PNP型晶体管。

igbt工作原理及接线图

（一）igbt工作原理

简单来说，IGBT相当于一(yi)个(ge)由(you)MOSFET驱动的(de)(de)(de)厚基区(qu)PNP型晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)，它(ta)的(de)(de)(de)简化等(deng)效电(dian)路如上图(b)所(suo)示，图中(zhong)的(de)(de)(de)RN为PNP晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)基区(qu)内的(de)(de)(de)调制(zhi)电(dian)阻。从(cong)该等(deng)效电(dian)路可以清楚(chu)地(di)看(kan)出，IGBT是用晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)和MOSFET组成的(de)(de)(de)达(da)林顿(dun)结构的(de)(de)(de)复合器(qi)件。冈为图中(zhong)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)为PNP型晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)，MOSFET为N沟(gou)道(dao)场效应晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)，所(suo)以这(zhei)种(zhong)结构的(de)(de)(de)IGBT称(cheng)为N沟(gou)道(dao)IIGBT，其符号为N-IGBT。类(lei)似(si)地(di)还有(you)P沟(gou)道(dao)IGBT，即(ji)P- IGBT。

IGBT的(de)电(dian)气(qi)图(tu)形符号如上图(tu)(c)所示。IGBT是—种(zhong)场控器件，它的(de)开(kai)通(tong)和(he)关断由(you)(you)栅(zha)极(ji)和(he)发射(she)极(ji)间(jian)(jian)电(dian)压(ya)UGE决定(ding)，当栅(zha)射(she)电(dian)压(ya)UCE为正且(qie)大于开(kai)启电(dian)压(ya)UCE（th）时，MOSFET内形成沟道(dao)并为PNP型(xing)晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)提供(gong)基极(ji)电(dian)流进而使IGBT导通(tong)，此时，从P+区(qu)注入N-的(de)空穴（少数载(zai)流子）对N-区(qu)进行电(dian)导调制，减(jian)小N-区(qu)的(de)电(dian)阻RN，使高耐压(ya)的(de)IGBT也具有很小的(de)通(tong)态压(ya)降。当栅(zha)射(she)极(ji)间(jian)(jian)不加(jia)信号或加(jia)反向电(dian)压(ya)时，MOSFET内的(de)沟道(dao)消失(shi)，PNP型(xing)晶(jing)(jing)体(ti)管(guan)的(de)基极(ji)电(dian)流被切断，IGBT即关断。由(you)(you)此可(ke)知，IGBT的(de)驱动原理与MOSFET基本相同。

①当UCE为负时(shi)：J3结处(chu)于反(fan)偏(pian)状(zhuang)态，器件呈反(fan)向阻断(duan)状(zhuang)态。

②当uCE为(wei)正时(shi)：UC< UTH，沟道(dao)不能形(xing)成，器(qi)件呈正向阻(zu)断状态；UG&gt;UTH，绝缘门极下形(xing)成N沟道(dao)，由(you)于(yu)载流子的(de)相互作用(yong)，在N-区产生电(dian)导调制，使(shi)器(qi)件正向导通。

1)导通

IGBT硅片的(de)结(jie)构(gou)(gou)与功率(lv)MOSFET的(de)结(jie)构(gou)(gou)十分相(xiang)似(si)，主要差(cha)异是JGBT增(zeng)加了P+基片和(he)一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)N+缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技(ji)术没有增(zeng)加这个(ge)部分)，其(qi)中一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)MOSFET驱动两(liang)(liang)个(ge)双极(ji)器件（有两(liang)(liang)个(ge)极(ji)性的(de)器件）。基片的(de)应用(yong)在管体的(de)P、和(he)N+区(qu)之间创建了一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)J，结(jie)。当(dang)正栅偏压使栅极(ji)下面反演(yan)P基区(qu)时(shi)，一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)N沟道便形成，同时(shi)出(chu)现一(yi)(yi)(yi)(yi)个(ge)电子流，并(bing)完(wan)全按照功率(lv)MOSFET的(de)方式产生一(yi)(yi)(yi)(yi)股电流。

如果这个(ge)(ge)电(dian)子流产生的(de)(de)电(dian)压(ya)在0.7V范围内(nei)，则(ze)J1将处于(yu)正向偏压(ya)，一些空穴注入N-区内(nei)，并(bing)调整N-与(yu)N+之(zhi)间的(de)(de)电(dian)阻率，这种方式降低了(le)(le)功率导(dao)通(tong)的(de)(de)总损耗，并(bing)启动了(le)(le)第二个(ge)(ge)电(dian)荷流。最后(hou)的(de)(de)结果是在半(ban)导(dao)体层次内(nei)临(lin)时出现两种不同的(de)(de)电(dian)流拓(tuo)扑：一个(ge)(ge)电(dian)子流（MOSFET电(dian)流）；一个(ge)(ge)空穴电(dian)流（双极）。当UCE大(da)于(yu)开启电(dian)压(ya)UCE(th），MOSFET内(nei)形成(cheng)沟道，为晶(jing)体管提供基极电(dian)流，IGBT导(dao)通(tong)。

2)导通压降

电(dian)导调(diao)制(zhi)效应使电(dian)阻RN减小(xiao)，通态压(ya)(ya)降小(xiao)。所谓通态压(ya)(ya)降，是指IGBT进入导通状态的管压(ya)(ya)降UDS，这个电(dian)压(ya)(ya)随UCS上升(sheng)而(er)下降。

3)关断

当(dang)在栅(zha)极施加一(yi)个负偏压或栅(zha)压低于(yu)门(men)限值时(shi)，沟道被禁止，没有空穴注入(ru)N-区(qu)内。在任何情况(kuang)下(xia)，如(ru)果MOSFET的电(dian)流(liu)在开关阶段迅速下(xia)降，集电(dian)极电(dian)流(liu)则逐(zhu)渐降低，这是阂为(wei)换向开始后，在N层(ceng)内还存在少(shao)数的载流(liu)子（少(shao)于(yu)）。这种残余电(dian)流(liu)值（尾流(liu)）的降低，完全(quan)取决于(yu)关断(duan)时(shi)电(dian)荷的密度(du)，而密度(du)又与几种因素有关，如(ru)掺杂质(zhi)的数量和(he)拓扑，层(ceng)次厚(hou)度(du)和(he)温(wen)度(du)。

少子的衰减使集电(dian)(dian)极电(dian)(dian)流(liu)具有(you)特征尾流(liu)波形。集电(dian)(dian)极电(dian)(dian)流(liu)将引起功耗升高(gao)、交(jiao)叉导通问题(ti)，特别是在(zai)使用续流(liu)二极管的设备上，问题(ti)更(geng)加明(ming)显。

鉴于尾流(liu)(liu)与(yu)少(shao)子(zi)的(de)重组有(you)关(guan)(guan)(guan)，尾流(liu)(liu)的(de)电(dian)流(liu)(liu)值应与(yu)芯片的(de)Tc、IC：和uCE密(mi)切相(xiang)关(guan)(guan)(guan)，并(bing)且与(yu)空(kong)穴移(yi)动性有(you)密(mi)切的(de)关(guan)(guan)(guan)系。因此，根据所达到的(de)温度，降低这种作用在终端(duan)设备设计上(shang)的(de)电(dian)流(liu)(liu)的(de)不(bu)理想效应是可行的(de)。当栅极和发(fa)射(she)极间施加反(fan)压或不(bu)加信号时，MOSFET内的(de)沟道消失，晶体管的(de)基极电(dian)流(liu)(liu)被切断，IGBT关(guan)(guan)(guan)断。

4)反向阻断

当(dang)集电(dian)(dian)极被施加(jia)一个反向电(dian)(dian)压(ya)时，J，就(jiu)(jiu)会(hui)受到反向偏(pian)压(ya)控制，耗尽(jin)层(ceng)则会(hui)向N-区(qu)扩展(zhan)。因过(guo)多(duo)地降低(di)这(zhei)(zhei)个层(ceng)面的(de)厚(hou)度，将无法取得一个有效的(de)阻断能力，所以这(zhei)(zhei)个机(ji)制十分(fen)重(zhong)要(yao)。另外，如(ru)果过(guo)大地增加(jia)这(zhei)(zhei)个区(qu)域的(de)尺寸，就(jiu)(jiu)会(hui)连(lian)续地提高(gao)压(ya)降。

5)正向阻断

当(dang)栅极(ji)和发射极(ji)短接并在集(ji)电极(ji)端子施加(jia)一(yi)个(ge)正电压(ya)(ya)时，J，结受反(fan)向(xiang)电压(ya)(ya)控制。此时，仍(reng)然(ran)是由N漂(piao)移区巾(jin)的(de)(de)耗(hao)尽层承受外部施加(jia)的(de)(de)电压(ya)(ya)。

6)闩锁

ICBT在(zai)集(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)与发射(she)极(ji)(ji)之间(jian)(jian)有(you)—个寄生PNPN晶闸(zha)(zha)管(guan)。在(zai)特殊条件下(xia)，这种寄生器(qi)件会(hui)(hui)导(dao)(dao)通(tong)(tong)。这种现(xian)象会(hui)(hui)使集(ji)电(dian)(dian)极(ji)(ji)与发射(she)极(ji)(ji)之间(jian)(jian)的电(dian)(dian)流量(liang)增加，对等效(xiao)MOSFET的控制能力降低，通(tong)(tong)常(chang)还会(hui)(hui)引起器(qi)件击穿问题(ti)。晶闸(zha)(zha)管(guan)导(dao)(dao)通(tong)(tong)现(xian)象被(bei)称为(wei)IGBT闩(shuan)锁。具体来说，产生这种缺陷的原(yuan)因(yin)各不相同(tong)，但与器(qi)件的状(zhuang)态有(you)密切关系。

（二）igbt接线图

igbt模块(kuai)的安装

为了使(shi)接(jie)触热(re)阻变小，推荐在散热(re)器与IGBT模(mo)块的安(an)装(zhuang)面(mian)之间涂(tu)敷(fu)散热(re)绝(jue)缘混合(he)剂。涂(tu)敷(fu)散热(re)绝(jue)缘混合(he)剂时，在散热(re)器或IGBT模(mo)块的金属基板面(mian)上涂(tu)敷(fu)。如图1所(suo)示(shi)。随(sui)着IGBT模(mo)块与散热(re)器通(tong)过(guo)螺钉夹紧，散热(re)绝(jue)缘混合(he)剂就散开，使(shi)IGBT模(mo)块与散热(re)器均一(yi)接(jie)触。

上图(tu)：两点安装型模(mo)块(kuai) 下图(tu)：一点安装型模(mo)块(kuai)

涂敷同等(deng)厚度(du)的导热(re)(re)膏（特别是(shi)涂敷厚度(du)较厚的情(qing)况下）可使无铜底板的模(mo)块比(bi)有铜底板散热(re)(re)的模(mo)块的发(fa)热(re)(re)更严重，最终(zhong)引至模(mo)块的结(jie)温(wen)(wen)超出模(mo)块的安全工作的结(jie)温(wen)(wen)上限（Tj《 125℃或125℃）。因(yin)为(wei)散热(re)(re)器表面不平 整所引起的导热(re)(re)膏的厚度(du)增(zeng)加(jia)，会增(zeng)大(da)接(jie)触热(re)(re)阻，从而减慢热(re)(re)量的扩散速度(du)。

IGBT模(mo)块(kuai)安(an)装(zhuang)时(shi)，螺(luo)钉的(de)夹(jia)(jia)紧(jin)方法如图2所(suo)示(shi)。另外，螺(luo)钉应以推荐(jian)的(de)夹(jia)(jia)紧(jin)力(li)(li)矩(ju)范(fan)围(wei)予以夹(jia)(jia)紧(jin)。如果该力(li)(li)矩(ju)不足，可能(neng)使接(jie)触热(re)(re)阻变大(da)(da)，或在(zai)工作中产生松(song)动。反之，如果力(li)(li)矩(ju)过大(da)(da)，可能(neng)引起外壳(qiao)破坏(huai)。将IGBT模(mo)块(kuai)安(an)装(zhuang)在(zai)由挤压(ya)模(mo)制作的(de)散(san)(san)热(re)(re)器上时(shi)，IGBT模(mo)块(kuai)的(de)安(an)装(zhuang)与散(san)(san)热(re)(re)器挤压(ya)方向平行，这是为了减(jian)小散(san)(san)热(re)(re)器变形的(de)影响。

螺钉(ding)的夹紧方法

把模块焊接(jie)到PCB时，应注意焊接(jie)时间要短。注意波形焊接(jie)机的(de)溶剂(ji)干燥(zao)剂(ji)的(de)用量，不要使用过量的(de)溶剂(ji)。模块不能(neng)冲洗。用网版印(yin)刷技术在散热(re)器(qi)表面印(yin)刷50μm的(de)散热(re)复合用螺(luo)钉把模块和PCB安(an)(an)装在散热(re)器(qi)上。在未上螺(luo)钉之前(qian)，轻微移动模块可以更好地分布散热(re)膏。安(an)(an)装螺(luo)钉时先用合适的(de)力度固定(ding)两个螺(luo)钉，然(ran)后用推荐的(de)力度旋紧螺(luo)钉。

在IGBT模(mo)块的端(duan)子上，将栅极驱(qu)动(dong)电(dian)路(lu)和控制 电(dian)路(lu)锡焊时(shi)，一旦焊锡温度(du)过高，可能发生(sheng)外壳(qiao)树脂(zhi)材(cai)料(liao)熔化(hua)等(deng)不良情况。一般(ban)性(xing)产品(pin)的端(duan)子耐热性(xing)试验条件：焊锡温度(du)： 260±5℃。焊接时(shi)间： 10±1s。次数：1次。

igbt单开关型模块的内部接线图-GA系列

igbt接线注意事项

1）栅极(ji)(ji)与任何导电(dian)区要绝(jue)缘，以免产生静电(dian)而击穿，IGBT在(zai)包装(zhuang)时将G极(ji)(ji)和(he)E极(ji)(ji)之(zhi)问有导电(dian)泡沫塑(su)料(liao)，将它短接(jie)。装(zhuang)配(pei)时切不可用(yong)手指直接(jie)接(jie)触G极(ji)(ji)，直到 G极(ji)(ji)管(guan)脚进行永久(jiu)性连接(jie)后，方可将G极(ji)(ji)和(he)E极(ji)(ji)之(zhi)间的短接(jie)线拆除。

2）在(zai)大功(gong)率的逆变器中，不仅上桥(qiao)臂(bei)的开关(guan)管(guan)(guan)要(yao)(yao)(yao)采用(yong)各自独立(li)的隔(ge)离(li)(li)电(dian)源(yuan)，下桥(qiao)臂(bei)的开关(guan)管(guan)(guan)也要(yao)(yao)(yao)采用(yong)各自独立(li)的隔(ge)离(li)(li)电(dian)源(yuan)，以避免回路噪声，各路隔(ge)离(li)(li)电(dian)源(yuan)要(yao)(yao)(yao)达到一定的绝缘等级要(yao)(yao)(yao)求。

3）在连接(jie)IGBT 电(dian)极(ji)端子时，主端子电(dian)极(ji)间不(bu)能有张力和压力作用，连接(jie)线（条）必须满足应用，以免电(dian)极(ji)端子发热在模(mo)块(kuai)上产生过热。控制信号线和驱动(dong)电(dian)源线要离远些，尽量垂直，不(bu)要平行放置(zhi)。

4）光耦(ou)合器输出与(yu)IGBT输入之间(jian)在PCB上(shang)的走线应(ying)尽量短，最好不要(yao)超过3cm。

5）驱动(dong)信(xin)号隔离要用高(gao)(gao)共模抑制比（ CMR）的高(gao)(gao)速光(guang)耦合(he)器(qi)，要求(qiu) tp《0.8μs，CMR》l0kV/μs，如6N137，TCP250 等。

6）IGBT模块驱动端(duan)子上的(de)黑色(se)套管是防静电导电管，用接插(cha)件引线(xian)时，取下套管应立即插(cha)上引线(xian)；或采用焊接引线(xian)时先焊接再(zai)剪断(duan)套管。

7）对IGBT端子进行锡焊(han)作(zuo)业的时(shi)(shi)候，为了避免由烙铁(tie)、烙铁(tie)焊(han)台的泄漏(lou)产生(sheng)静电(dian)加到(dao)IGBT上(shang)，烙铁(tie)前端等要用十分低的电(dian)阻(zu)接地(di)。焊(han)接G极(ji)时(shi)(shi)，电(dian)烙铁(tie)要停电(dian)并接地(di)，选(xuan)用定温电(dian)烙铁(tie)最合适。当手(shou)工焊(han)接时(shi)(shi)，温度260℃±5℃，时(shi)(shi)间（10 +1）s。波峰焊(han)接时(shi)(shi)，PCB要预(yu)热80 ~105℃，在245℃时(shi)(shi)浸入焊(han)接3~4s。

8）仪器测量时，应采用1000 电阻与G极串(chuan)联(lian)。在模块的端子部测量驱(qu)动电压（ VGE）时，应确认外(wai)加了既(ji)定(ding)的电压。

9）IGBT模块(kuai)是在用lC泡(pao)沫等导(dao)电性材(cai)料(liao)对控制端(duan)子(zi)采取(qu)防静电对策的(de)状态下(xia)出库的(de)。这种导(dao)电性材(cai)料(liao)在产品进(jin)行电路连(lian)接(jie)后才能(neng)去除。

10）仅使(shi)用(yong)FWD而不使(shi)用(yong)IGBT时(shi)(shi)(shi)（比如(ru)在斩波电(dian)路(lu)等(deng)中应用(yong)时(shi)(shi)(shi)），不使(shi)用(yong)的(de)IGBT的(de)G-E间应加-5V以上（推荐-15V、最大- 20V）的(de)反(fan)偏压(ya)。反(fan)偏压(ya)不足时(shi)(shi)(shi)，IGBT可能由于(yu)FWD反(fan)向恢复时(shi)(shi)(shi)的(de)dv/dt引起误触发而损坏。

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