如何选择适合的IGBT？

为解决功率MOSFET在高压、大电流工作时通态电阻大、器件发热严重、输出效率下降等问题，近年来IGBT功率开关管也获得迅速发展。IGBT（Insulate Gate Bipolar Transistor）是绝缘栅-双极型晶体管的简称。IGBT功率开关管是由MOS场效应晶体管（MOSFET）与巨型晶体管（GTR）集成的新型高速、高压大功率电力电子器件，它属于电压控制型大功率器件。IGBT以MOSFET为输入级（驱动电路），GTR为输出级（主回路）。但从本质上讲，IGBT仍属于场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。它将MOSFET和GTR的优点集于一身，具有输入阻抗高、驱动电路简单、耐压高（一般在500V以上）、工作电流大（可达几百安培，峰值电流可达几千安培，是功率MOSFET的几十倍）、漏-源通态电阻小、开关速度快（可达微秒数量级）、热稳定性好、开关损耗低（仅为GTR的30%）等优良特性。IGBT的最高工作频率为20～30kHz，主要应用于20kHz以下的大功率开关电源、交流变频器、逆变器等电气设备。

IGBT功率开关管的结构如图16-22a所示，它类似于MOSFET，所不同的是IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（即IGBT的集电极），形成了PN结j₁，并由此引出漏极，栅极和源极则与MOSFET相似。IGBT采用PNPN四层结构，其输出级亦可视为由PNP-NPN晶体管构成的晶闸管。但因NPN晶体管和发射极在内部短路，故NPN晶体管不起作用。因此，也可将IGBT看作是以N沟道MOSFET为输入级，PNP晶体管为输出级的单向达林顿管。由图可见，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图16-22b所示。图中，R_dr为厚基区GTR的扩散电阻。为兼顾双极型晶体管引脚的习惯称呼，国际电工委员会（IEC）规定IGBT的栅极为G，源极引出端为发射极E，漏极引出端为集电极C。

图16-22 IGBT功率开关管的结构及等效电路

a）基本结构的剖面图 b）等效电路

N沟道和P沟道IGBT的电路符号各有两种，分别如图16-23a、b所示。IGBT的导通与关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时MOSFET内部就形成了沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P⁺区注入到N-区进行电导调制，减少N一区的电阻R_dr值，使耐高压的IGBT也具有低的通态电阻。当栅极上加负电压时MOSFET内部的沟道就消失，PNP晶体管的基极电流被切断，使IGBT关断。

图16-23 IGBT的电路符号

a）N沟道IGBT b）P沟道IGBT

IGBT功率开关管的主要技术参数包括反向击穿电压U_（BR）CEO，最大集电极连续电流I_CM，最大输出功率P_OM，开启时间t_d（ON），关断时间t_d（OFF），栅极门限电压U_GE，集电极-发射极饱和电压U_CE，内部是否有保护二极管（亦称阻尼二极管）。国外生产IGBT功率开关管的主要厂家有美国飞兆公司、德国西门子公司、英飞凌公司、日本东芝公司等。IGBT功率开关管典型产品的主要参数见表16-22。

表16-22 IGBT功率开关管典型产品的主要参数

对于内部没有保护二极管的IGBT功率开关管，应在C-E极间接一只快恢复式阻尼二极管，阻尼二极管的正极接C极，负极接E极。例如可采用Philips公司生产的BY459型快速、高压阻尼二极管，其反向耐压为1500V，正向导通电压为0.95V，正向峰值重复电流可达100A，反向恢复时间为250ns。(www.xing528.com)

使用IGBT时需注意以下事项：

（1）IGBT模块的U_GE一般为±20V，若超过此值就会导致模块损坏。

（2）当栅极处于开路状态时，若在主回路加上电压就容易损坏IGBT。为防止出现这种情况，应在栅极–发射极之间分别并联一只10kΩ左右的电阻和一只小电容。

（3）由于IGBT模块以MOSFET作为输入级，因此必须对静电采取防护措施。使用IG-BT模块时，禁止用手触摸栅极。若必须触摸模块的端子时，也应先将人体静电泄放掉。模块的底板应接地良好。焊接时，电烙铁或电焊机应处于良好的接地状态下。存放IGBT模块的容器也不得带静电。

（4）为满足输出大电流的需要，允许将多个IGBT模块并联使用。并联时流过每个器件的电流应保持平衡。

（5）为提高IGBT的开关速度，可将MOSFET与IGBT并联成复合管，IGBT-MOSFET复合管如图16-24a所示。MOSFET和IGBT的驱动原理如下：其导通过程为首先由PWM信号驱动MOSFET导通，然后IGBT导通，并且IGBT是在电压过零时开始导通。关断过程则为先关断IGBT（在零电压时关断），经过一段延迟时间再关断MOSFET。在导通期间，由于MOSFET的导通压降比IGBT高，因此大部分电流通过IGBT，由IGBT承担导通损耗。开关损耗主要由MOSFET承担。IGBT-MOSFET复合管可用于半桥或全桥拓扑结构。

图16-24 两种复合管的电路结构

a）IGBT-MOSFET复合管 b）BJT-MOSFET复合管

同样，还可将双极型晶体管（BJT）与MOSFET串联成复合管，利用MOSFET的开关特性来提高开关速度。BJT-MOSFET复合管的电路结构如图16-24b所示。它在导通时首先驱动功率MOSFET，此时BJT处于共基极接法，从发射极输入电流。因MOSFET导通、漏极电压降低，使BJT的发射结为正向偏置，产生基极电流和集电极电流，再通过正反馈电路使BJT饱和导通。关断时首先关断MOSFET，因BJT发射结处于反向偏置而将BJT迅速关断。由于共基极接法的频率特性是共射极接法的β倍，因此可大大提高关断速度。低压MOSFET的通态电阻仅为mΩ数量级，导通损耗很小。上述电路可用于双端正激式大功率开关电源中，开关频率可达50kHz。

给IGBT功率开关管配上驱动器，即可构成IGBT模块。IGBT驱动器一般采用高速光耦合器隔离，具有比较完善的保护功能（包括过电流保护、短路保护和过电压保护）。