igbt工作原理及接线图
igbt简介

igbt工作原理及接线图，我们先了解一下igbt是什么？IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

IGBT的等效电路如下图所示。由下图可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极—发射极间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

通俗来讲:IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，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。三大特点就是高压、大电流、高速。

igbt结构

igbt是一个三端器件，它拥有栅极G、集电极c和发射极E。IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号如图所示。

如图所示为N沟道VDMOSFFT与GTR组合的N沟道IGBT(N-IGBT)的内部结构断面示意图。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成丁一个大面积的PN结J1。由于IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，因而对漂移区电导率进行调制，可仗IGBT具有很强的通流能力。介于P+注入区与N-漂移区之间的N+层称为缓冲区。有无缓冲区决定了IGBT具有不同特性。

有N*缓冲区的IGBT称为非对称型IGBT，也称穿通型IGBT。它具有正向压降小、犬断时间短、关断时尾部电流小等优点，但其反向阻断能力相对较弱。无N-缓冲区的IGBT称为对称型IGBT，也称非穿通型IGBT。它具有较强的正反向阻断能力，但它的其他特性却不及非对称型IGBT。

如下图(b)所示的简化等效电路表明，IGBT是由GTR与MOSFET组成的达林顿结构，该结构中的部分是MOSFET驱动，另一部分是厚基区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相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，它的简化等效电路如上图(b)所示，图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。从该等效电路可以清楚地看出，IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为PNP型晶体管，MOSFET为N沟道场效应晶体管，所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT，其符号为N-IGBT。类似地还有P沟道IGBT，即P- IGBT。

IGBT的电气图形符号如上图(c)所示。IGBT是—种场控器件，它的开通和关断由栅极和发射极间电压UGE决定，当栅射电压UCE为正且大于开启电压UCE（th）时，MOSFET内形成沟道并为PNP型晶体管提供基极电流进而使IGBT导通，此时，从P+区注入N-的空穴（少数载流子）对N-区进行电导调制，减小N-区的电阻RN，使高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅射极间不加信号或加反向电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。由此可知，IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。

①当UCE为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。

②当uCE为正时：UC< UTH，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态；UG>UTH，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通。

1)导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是JGBT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)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件（有两个极性的器件）。基片的应用在管体的P、和N+区之间创建了一个J，结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道便形成，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，则J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整N-与N+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）；一个空穴电流（双极）。当UCE大于开启电压UCE(th），MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

2)导通压降

电导调制效应使电阻RN减小，通态压降小。所谓通态压降，是指IGBT进入导通状态的管压降UDS，这个电压随UCS上升而下降。

3)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的电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是阂为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少于）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。

少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形。集电极电流将引起功耗升高、交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的Tc、IC：和uCE密切相关，并且与空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。当栅极和发射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

4)反向阻断

当集电极被施加一个反向电压时，J，就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以这个机制十分重要。另外，如果过大地增加这个区域的尺寸，就会连续地提高压降。

5)正向阻断

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，J，结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区巾的耗尽层承受外部施加的电压。

6)闩锁

ICBT在集电极与发射极之间有—个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。具体来说，产生这种缺陷的原因各不相同，但与器件的状态有密切关系。

（二）igbt接线图

igbt模块的安装

为了使接触热阻变小，推荐在散热器与IGBT模块的安装面之间涂敷散热绝缘混合剂。涂敷散热绝缘混合剂时，在散热器或IGBT模块的金属基板面上涂敷。如图1所示。随着IGBT模块与散热器通过螺钉夹紧，散热绝缘混合剂就散开，使IGBT模块与散热器均一接触。

上图：两点安装型模块 下图：一点安装型模块

涂敷同等厚度的导热膏（特别是涂敷厚度较厚的情况下）可使无铜底板的模块比有铜底板散热的模块的发热更严重，最终引至模块的结温超出模块的安全工作的结温上限（Tj《 125℃或125℃）。因为散热器表面不平 整所引起的导热膏的厚度增加，会增大接触热阻，从而减慢热量的扩散速度。

IGBT模块安装时，螺钉的夹紧方法如图2所示。另外，螺钉应以推荐的夹紧力矩范围予以夹紧。如果该力矩不足，可能使接触热阻变大，或在工作中产生松动。反之，如果力矩过大，可能引起外壳破坏。将IGBT模块安装在由挤压模制作的散热器上时，IGBT模块的安装与散热器挤压方向平行，这是为了减小散热器变形的影响。

螺钉的夹紧方法

把模块焊接到PCB时，应注意焊接时间要短。注意波形焊接机的溶剂干燥剂的用量，不要使用过量的溶剂。模块不能冲洗。用网版印刷技术在散热器表面印刷50μm的散热复合用螺钉把模块和PCB安装在散热器上。在未上螺钉之前，轻微移动模块可以更好地分布散热膏。安装螺钉时先用合适的力度固定两个螺钉，然后用推荐的力度旋紧螺钉。

在IGBT模块的端子上，将栅极驱动电路和控制 电路锡焊时，一旦焊锡温度过高，可能发生外壳树脂材料熔化等不良情况。一般性产品的端子耐热性试验条件：焊锡温度： 260±5℃。焊接时间： 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）栅极与任何导电区要绝缘，以免产生静电而击穿，IGBT在包装时将G极和E极之问有导电泡沫塑料，将它短接。装配时切不可用手指直接接触G极，直到 G极管脚进行永久性连接后，方可将G极和E极之间的短接线拆除。

2）在大功率的逆变器中，不仅上桥臂的开关管要采用各自独立的隔离电源，下桥臂的开关管也要采用各自独立的隔离电源，以避免回路噪声，各路隔离电源要达到一定的绝缘等级要求。

3）在连接IGBT 电极端子时，主端子电极间不能有张力和压力作用，连接线（条）必须满足应用，以免电极端子发热在模块上产生过热。控制信号线和驱动电源线要离远些，尽量垂直，不要平行放置。

4）光耦合器输出与IGBT输入之间在PCB上的走线应尽量短，最好不要超过3cm。

5）驱动信号隔离要用高共模抑制比（ CMR）的高速光耦合器，要求 tp《0.8μs，CMR》l0kV/μs，如6N137，TCP250 等。

6）IGBT模块驱动端子上的黑色套管是防静电导电管，用接插件引线时，取下套管应立即插上引线；或采用焊接引线时先焊接再剪断套管。

7）对IGBT端子进行锡焊作业的时候，为了避免由烙铁、烙铁焊台的泄漏产生静电加到IGBT上，烙铁前端等要用十分低的电阻接地。焊接G极时，电烙铁要停电并接地，选用定温电烙铁最合适。当手工焊接时，温度260℃±5℃，时间（10 +1）s。波峰焊接时，PCB要预热80 ~105℃，在245℃时浸入焊接3~4s。

8）仪器测量时，应采用1000 电阻与G极串联。在模块的端子部测量驱动电压（ VGE）时，应确认外加了既定的电压。

9）IGBT模块是在用lC泡沫等导电性材料对控制端子采取防静电对策的状态下出库的。这种导电性材料在产品进行电路连接后才能去除。

10）仅使用FWD而不使用IGBT时（比如在斩波电路等中应用时），不使用的IGBT的G-E间应加-5V以上（推荐-15V、最大- 20V）的反偏压。反偏压不足时，IGBT可能由于FWD反向恢复时的dv/dt引起误触发而损坏。

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