IGBT基本工作原理及IGBT的作用是什么?

作者：英飞凌
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IGBT是一个超级电子开关，它能耐受超高电压。

我们家中插座里的市电交流电电压是220V，而薄如纸张的IGBT芯片能承受的电压最高可达6500V。我们一般家庭里家用电器全部开启最大电流也不会超过30A，而一颗指甲盖大小的IGBT芯片就能流过约200A的电流!

下图是安装在基板上的4个IGBT芯片和4个二极管芯片。

但是，像这样裸露的芯片是不能直接用的。我们需要把芯片再封装到一个外壳里面，外壳中再填充绝缘的材料，把芯片的电极引到外端子上，就形成了能够使用的IGBT产品。

有的外壳里只有一颗IGBT芯片，有的可能会十几颗，二十几颗芯片。于是，就形成了各种各样的IGBT单管和模块。单管封装的IGBT的最大电流在100A左右，IGBT模块的最大额定电流可以达到3600A！

电路图中的IGBT我们一般用下图来表示，G表示门极gate，它用来接收指令。C表示集电极collector，E表示发射极emitter，集电极和发射极用来导通电流。平时IGBT是截止的，一旦门极接收到一个开通指令，电流就会源源不断地从集电极到发射极之间流过。

就好比你家里墙上的开关，按一下，开关闭合，电灯亮起；再按一下，电灯熄灭

当然，操作IGBT，不再是手，而是电子脉冲。

高电平来临时，器件开通；低电平来临时，器件就关断

手动操作开关，可能一秒钟一两次，而我们的电子开关，一秒钟可以开关上万次，几十万次！这就是我们需要电子开关，也就是功率器件的原因。

两位长期在英飞凌科技从事IGBT应用技术研究和推广的工程师撰写了《IGBT模块：技术、驱动和应用》著作，上架以来深受读者欢迎，销量过万。

这是一本关于IGBT驱动与应用设计的大作，作者从功率半导体基础切入，通篇覆盖半导体原理，模块结构，电气特性，从而深入到实际应用中的开关特性、射频振荡及驱动设计和热设计，全书共14章，50万字。

试读章节：《3.5 IGBT的开关特性》（欲查看完整章节，请点击文末“延申阅读”）

3.5.1 IGBT的开通特性

IGBT的开通特性如图3.24所示，可以通过图3.1所示的半桥电路测试。IGBT VT2在一定的时间段t1内开通。根据这个时间周期和电感L的大小，决定流过负载及IGBT集电极电流的大小[式(3.12)]。

IGBT VT2在t1时刻关断，电流I换流到二极管VD1(t1时刻用以描述IGBT关断行为，详细的讨论见3.5.2节)。一旦时间到达t2，IGBT VT2再次被开通，这个时刻用来描述IGBT的开通行为。忽略负载电阻和二极管的压降，IGBT VT2在开通之前承受所有的直流母线电压UDC。

IGBT开通过程如图3.25所示。在IGBT VT2开通后，栅极-集电极电压UGE开始上升。在时间t3处，UGE上升到阈值电压UGE(TO)，这时集电极电流IC开始上升。集电极电流的上升产生了电流变化率diF/dt，同时由于换流通路中的杂散电感，导致集-射电压UCE迅速下降，即

在t4时刻，集电极电流IC已经上升到由电感大小决定的额定值。然而，这时二极管开始关断，由于二极管的反向恢复特性，IC继续增大。最大集电极电流IC，max的值是由以下因素决定的:

• 二极管的设计;
• IGBT的外围部件(比如驱动电路)，这些外围电路会影响电流变化率diC/dt和diF/dt。图3.26给出了一个最大集电极电流随驱动电阻变化而改变的示例。驱动电阻越大，diF/dt就越低,因而最大集电极电流就越低;
• 结温Tvj;
• 直流母线电压UDC。
  如果其他参数保持不变，负载电流对IC，max的大小没有影响。