IGBT工作原理及其应用

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本文通过等效电路分析，通俗易懂的讲解IGBT的工作原理和作用，并精简的指出了IGBT的特点。

可以说，IGBT是一个非通即断的开关，兼有Mosfet的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，是由BJ T(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功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和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;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

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。

目前国内缺乏高质量IGBT模块，几乎全部靠进口。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的工作原理和作用通俗易懂版：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。

如果撤掉加在GS两端的电压，这层导电的沟道就消失了，就不可以导电了，变成了绝缘体。IGBT的工作原理和作用电路分析版：IGBT的等效电路如图1所示。由图1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MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。





由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：--IGBT栅极与发射极之间的电压;--IGBT集电极与发射极之间的电压;--流过IGBT集电极-发射极的电流;--IGBT的结温。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)


IGBT驱动电路的作用

IGBT驱动电路的作用是驱动IGBT模块以能让其正常工作，同时对IGBT模块进行保护。IGBT 驱动电路的作用对整个IGBT构成的系统来说至关重要。IGBT是电路的核心器件，它可在高压下导通，并在大电流下关断，在硬开关桥式电路中，功率器件IGBT能否正确可靠地使用起着至关重要的作用。

驱动电路就是将控制电路输出的PWM信号进行功率放大，以满足驱动IGBT的要求，驱动电路设计的是否合理直接关系到IGBT的安全、可靠使用。IGBT驱动电路还为IGBT器件提供门极过压、短路保护、过流保护、过温保护、Vce过压保护（有源钳位）、门极欠压保护，didt保护（短路过流保护的一种）。

IGBT驱动电路的设计

1.设计IGBT驱动电路需要考虑的性能参数

2.IGBT在电路中承受的正反向峰值电压，可以由下面的公式导出：



设计驱动电路时需要考虑到2-2.5倍的安全系数，可选IGBT的电压为1200V。

在电路中IGBT导通时需要承受的峰值电流，可以由下面的公式导出：



igbt驱动器的选择在实际电路中，栅极电阻的选择要考虑开关速度的要求和损耗的大小。栅极电阻也不是越小越好，当栅极电阻很小时，IGBT的CE间电压尖峰过大 栅极电阻很大时，又会增大开关损耗。所以，选择IGBT驱动器时要在尖峰电压能够承受的范围内适当减小栅极电阻。

由于电路中的杂散电感会引起开关状态下电压和电流的尖峰和振铃，在实际的驱动电路中，连线要尽量短，并且驱动电路和吸收电路应布置在同一个PCB板上，同时在靠近IGBT的GE间加双向稳压管， 以箝位引起的耦合到栅极的电压尖峰。

对于大功率IGBT，设计和选择驱动基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv／dt电流等参数有不同程度的影响。

门极驱动条件与器件特性的关系见表1。栅极正电压 的变化对IGBT的开通特性、负载短路能力和dVcE／dt电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由dVcE／dt 电流引起的误触发等问题