一、 什么是 IGBT？
IGBT 是“Insulated Gate Bipolar Transistor”的首字母縮寫，中文名稱是“絕緣柵雙極晶體管”。IGBT 是由 MOSFET 和雙極晶體管組成的復合器件，是同時具備這兩種產品優點的功率晶體管。IGBT 有 N 溝道型和 P 溝道型兩種，目前N 溝道型是主流產品。
下圖 1 是 N 溝道 IGBT 的電路圖符號及其等效電路。有些等效電路圖會更詳細一些，但這里為了便于理解，給出的是相對簡單的示意圖。包括結構在內，實際的產品會更復雜一些。有關結構等的詳細內容后續會進行介紹。
IGBT具有柵極、集電極、發射極 3個引腳。柵極與MOSFET相同，集電極和發射極與雙極晶體管相同。在 N 溝道型的情況下，IGBT 與 MOSFET 一樣，通過電壓控制元件給柵極施加相對于發射極的正電壓時，集電極-發射極之間導通，流過集電極電流。其工作原理和驅動方法會另行介紹。
前面已經介紹過，IGBT 是兼備 MOSFET 和雙極晶體管優點的晶體管。MOSFET 由于柵極是被隔離（絕緣）的，因此具有輸入阻抗高、開關速度較快的優點，但其缺點是在高電壓時導通電阻較高。雙極晶體管即使在高電壓條件下導通電阻也很低，但存在輸入阻抗低和開關速度慢的缺點。而 IGBT 則是彌補了這兩種器件各自的缺點的晶體管，具有輸入阻抗高、開關速度快*、即使在高電壓條件下也能實現低導通電阻的特點。
*開關速度比 MOSFET 慢，但比雙極晶體管快。
IGBT 和 MOSFET 等功率器件根據應用產品的使用條件和需求，物善其用，比如在高電壓應用中使用 IGBT，在低電壓應用中則使用 MOSFET，被區分使用在與其特性相適合的應用中。
二、 IGBT 的適用范圍
IGBT 和 MOSFET 等功率元器件應根據其特點物善其用。此外，功率器件除了以器件單品（分立半導體）的形式使用外，將器件與其他基本部件組合在一起的“模塊”應用范圍也很廣泛。下圖 2 是從輸出容量和工作（開關）頻率的角度出發繪制的 IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET 和雙極晶體管的適用范圍。另外，還對分立產品和模塊的適用范圍進行了區分。
IGBT 分立產品覆蓋 1kHz～50、60kHz 的頻率范圍、稍高于 1kVA 的輸出容量范圍。對于 IGBT 模塊而言，根據與其他部件的組合等情況，工作頻率上限程度相同，但輸出容量范圍可高達 100MVA 以上。隨著輸出容量的增加，工作頻率會因為開關損耗等的限制而降低。通過這張圖，應該可以對每種功率器件的特點和適用范圍有一個整體印象。
三、 使用了 IGBT 的應用產品
從 IGBT 和其他功率器件的輸出容量和工作頻率的角度介紹了它們各自的適用范圍。本章將介紹 IGBT的適用范圍和應用產品之間的關系。
下圖 3 從輸出容量和工作頻率的角度，列出了 IGBT 分立產品和模塊及 Si MOSFET 分立產品的適用范圍，以及在適用范圍內的適用應用產品示例。適用范圍與第 2 章中給出的范圍是一樣的，圖中列出了相應范圍內的具體應用產品。
從圖中可以看出，有些應用產品在重疊范圍中，但在處理高電壓大電流的電車和 HEV/EV 領域，主流產品還是 IGBT模塊。分立式 IGBT 和 Si MOSFET 在家電和小型工業設備等應用中的需求很大，主要根據工作頻率方面的優點來區分使用。
四、 IGBT 的結構
IGBT 是由 MOSFET 和雙極晶體管組成的復合器件，是同時具備這兩種產品優點的功率晶體管。下面以目前主流的 N 溝道 IGBT 為例，來介紹 IGBT的基本結構。這之后只用“IGBT”描述的基本上都是指 N 溝道 IGBT。
為了便于理解 IGBT 半導體的結構，下圖4 帶我們回顧一下電路圖符號、簡單的等效電路以及 IGBT 的基本工作。
IGBT 具有柵極、集電極、發射極 3 個引腳。可以認為，其柵極與 MOSFET 的柵極相同，其集電極和發射極與雙極晶體管相同。在 N 溝道 IGBT 的情況下，IGBT 與 MOSFET一樣，通過電壓控制元件給柵極施加相對于發射極的正電壓 VGE 時，集電極-發射極之間導通，流過集電極電流 IC。
下圖 5 是 IGBT 半導體結構示意圖（截面圖）和等效電路圖。為便于理解而進行了簡化。藍色箭頭表示集電極電流 IC 的流動情況。可以與旁邊的等效電路圖比較來看。
如上圖 5 所示，在 Nch MOSFET 的漏極側形成了 P+集電極層，從集電極到發射極是 P 型-N 型-P 型-N 型排列的結構。
等效電路圖中的 Nch MOSFET 的漏極和 PNP 晶體管的基極都相當于 IGBT 的 N-漂移層。柵極是絕緣膜上的薄膜布線，Nch MOSFET 的柵極=IGBT 的柵極。IGBT 的發射極為 N+層，相當于 Nch MOSFET 的源極。PNP 晶體管的集電極為 P+，與 IGBT 的發射極 N+層相連接。PNP 晶體管的發射極是 P+層，相當于 IGBT 的集電極。雖然這些聽起來有些復雜，但是如果將IGBT的結構用示意圖體現出來，就很容易理解其等效電路圖了。
五、 IGBT 的工作原理
下圖 6 中的等效電路和結構截面圖就是說明 IGBT的工作原理。
當向發射極施加正的集電極電壓 VCE，同時向發射極施加正的柵極電壓 VGE 時，IGBT 變為導通狀態，集電極和發射極之間導通，流過集電極電流 IC。
將這個動作對應于等效電路時，即當施加正 VGE 時，Nch MOSFET 導通，這會使基極電流 IB 流過 PNP 晶體管，最終，PNP 晶體管導通，從而使 IC 從 IGBT 的集電極流向發射極。
結構截面圖中顯示了內部電子和空穴（電洞）的運動情況。當向柵極施加正 VGE 時，電子?聚集在柵極電極正下方的P+層中并形成溝道。這與 MOSFET 導通的原理基本相同。
因此，從 IGBT 的發射極供給的電子沿 N+層⇒溝道⇒ N-漂移層 ⇒ P+集電極層的方向移動。而空穴（電洞）⊕則由P+集電極層注入 N-漂移層。該層之所以被稱為“漂移層”，是因為電子和空穴兩者的載流子都會移動。也就是說，電子從發射極向集電極的移動意味著電流（IC）從集電極流向發射極。
六、 IGBT 的特點：與 MOSFET 和雙極晶體管的比較
在需要功率晶體管的應用中，需要了解每種功率晶體管（例如 IGBT、MOSFET、雙極晶體管）的優缺點之后再區分使用。現將每種功率晶體管的特點總結如下：
●MOSFET 的特點
MOSFET 是由電壓驅動的，輸入阻抗較高，因此控制時消耗的功耗較少。另外，由于是電子或空穴一種載流子的單極晶體管，所以具有開關速度快的優點。但是，與雙極晶體管不同的是，不能利用電導調制效應（Webster 效應），因此存在導通電阻隨電壓增加而增加的缺點。
●雙極晶體管的特點
雙極晶體管具有耐壓高且導通電阻*低的優點。雙極晶體管具有可利用電導調制效應抑制壓降的特點。電導調制效應是在晶體管工作過程中空穴和電子一起移動，空穴注入到N-層，從而使其電阻減小。此外，由于雙極晶體管會進行電流放大工作，因此允許流過比所施加電流更大的電流。缺點是輸入阻抗低，控制時所消耗的功耗大，而且由于使用 的 是 兩 種 極 性 的 載 流 子 ， 所 以 開 關 速 度 較 慢 。 *參數為“飽和電壓”。
●IGBT 的特點
IGBT 是輸入部分為 MOSFET 結構、輸出部分為雙極結構的復合型器件，同時具備 MOSFET 和雙極晶體管兩者的優點。其輸入阻抗高，可以用小功率驅動，并且可以將電流放大為大電流。此外，即使在高電壓條件下，導通電阻*也可保持在較低水平。其開關速度不如 MOSFET 快，但比雙極晶體管要快。 *參數為“飽和電壓”。
如果對 IGBT、MOSFET 和雙極晶體管進行比較，IGBT 具有耐壓高、損耗低、速度較快等優點。但每種晶體管都有其優點，所以基本上還是需要根據應用產品的需求來區分使用。
七、 在電機應用中區分使用功率器件
如前所述，每種功率元器件都有其各自的特點，通常需要根據目標應用及其所需特性和性能等來區分使用。本章將
介 紹 如 何 在 電 機 應 用 中 正 確 地 區 分 使 用 IGBT 、 Si MOSFET 和 SiC MOSFET。
下圖 7 根據不同功率器件的特點列出了不同工作頻率和輸出容量（VA）下的適用范圍。對 IGBT、Si MOSFET 和 SiC MOSFET 的分立產品覆蓋的區域進行比較后，可以匯總如下。當然，由于每種功率元器件都是多樣化的，所以這里是基于通常的概括性特點進行匯總的。
① 在 IGBT 與 Si MOSFET 的比較中，IGBT 覆蓋輸出容量大的低頻區域，Si MOSFET 覆蓋輸出容量小的高頻區域。
② 在 IGBT 與 SiC MOSFET 的比較中，SiC MOSFET 覆蓋輸出容量大的高頻區域。
③ Si MOSFET 與 SiC MOSFET 覆蓋的頻率范圍相同，但Si MOSFET 覆蓋低輸出容量區域，而 SiC MOSFET 則
覆蓋高輸出容量區域。
下表 2 更具體地列出了這些特點，并給出了在電機應用中區分使用功率器件時的要點。從正確區分使用的角度來看，不同條件下的損耗差異是非常重要的。損耗分導通損耗和開關損耗來考慮。下面提到的 IGBT、SiC MOSFET、Si MOSFET 都是指分立產品，而“+SBD”和“+FRD”則表示給相應晶體管外置了所述二極管的情況。
在導通損耗方面，如果流過的電流約在 5A 以下的范圍，Si MOSFET 優于 IGBT，但在 5A 以上時 IGBT 表現更出色。該電流區域未被 SiC MOSFET 覆蓋，因此通常從 IGBT 和Si MOSFET 中做選擇。Si MOSFET 在以小電流運行的系統中占優勢，比如家用空調的室外機等以輕負載正常穩定運行占比多的應用。這也與上述①中的 IGBT 和 Si MOSFET 的覆蓋范圍比較結果一致。
在開關損耗方面，在 IGBT＋FRD（快恢復二極管）和 SiC MOSFET＋SBD（肖特基勢壘二極管）之間的比較中，PWM 頻率（開關頻率）越快，SiC MOSFET＋SBD 越具優勢，與上述②中的比較結果一致。這是由于受IGBT+FRD的特點——導通時的反向恢復電流和關斷時的尾電流的影響。SiC MOSFET＋SBD 因其不會流過尾電流而使開關損耗得以顯著改善。
但是，對于電機應用而言，普通的電機多在 20kHz 以下的較低頻率下使用，加上 SiC MOSFET 在成本方面不占優勢，所以目前 SiC MOSFET 多在特殊應用中使用。在當今的電機應用中，考慮到性能、損耗和成本之間的平衡，IGBT是主流。
綜上所述，我們了解了每種功率器件的特點，并探討了成本等情況，對于具體應用而言，最終還是需要根據應用產品的需求選擇合適的產品。在包括逆變器在內的電機驅動應用中，除了上述示例中的“IGBT 分立器件+FRD”之外，被廣泛使用的還有適用于電機應用的 FRD 內置型 IGBT 分立器件和 IGBT IPM（智能功率模塊）。
八、 IGBT 的短路耐受時間（SCWT）
IGBT 等功率器件具有稱為“短路耐受時間（SCWT：Short Circuit Withstand Time）”的電氣特性（參數）。通常，在功率元器件處于短路狀態時，會流過大電流并在短時間內造成元器件損壞，但短路耐受時間意味著在發生短路時，可以承受而不至于損壞的時間，也稱之為“允許的短路時間”。
功率器件短路，比如 IGBT，是指在集電極和發射極之間被施加了高電壓（VCC）的狀態下 IGBT 導通，并且在已導通的 IGBT 中流過很大的集電極電流 IC 的狀態。這可能是由控制電路故障或某種誤動作引起的。
為了幫助我們理解這種短路，在下圖 8 中給出了測量短路耐受時間時的基本電路和波形示例。當將 VCC 施加在關斷狀態的 IGBT 上、通過柵極驅動電路使 IGBT 導通時，電容器中積蓄的電荷會突然流入 IGBT，經過一定時間后會導致 IGBT 損壞。到損壞所用的時間因 VCC 電壓、溫度、封裝類型等因素而異，大致為數 μs～數十 μs。在試驗中，通過控制柵極驅動電路并逐漸增加導通時間來確認器件是否損壞，并重復此操作來測量直到損壞所用的時間。或者，可以通過確認產品在規定的導通時間內沒有損壞來做出合格與否的判斷。
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上圖 8 波形圖中的產品是 ROHM 的 IGBT RGS 系列，最短的短路耐受時間為 8μs。當 IGBT 根據柵極信號導通（短路）時，會流過集電極電流；當它在 13.5μs 后根據柵極信號關斷時，集電極電流被切斷，這個 IGBT 并沒有損壞，這證明在這個測試條件下，這款 IGBT 能夠承受 13.5μs 的短路時間。當然，8μs 的保證值是有余量的。集電極電壓在短路和關斷后會在短時間內下降和上升，這取決于電容器到 IGTB 的集電極引腳之間的寄生電感的充電和放電，之后集電極電壓會恢復至 VCC。受發熱的影響，集電極電流會隨著時間的經過而減少。
如果在短路過程中 IGBT 損壞，基本上初期會發生短路故障，所以電流會幾乎沒有限制地持續流過 IGBT，集電極電壓=VCC 將下降到幾乎接地水平。當然，即使向柵極發送關斷信號，也不會關斷 IGBT 并切斷集電極電流。在試驗或評估過程中 IGBT 損壞的情況下，如果不及時切斷電流，可能會因過電流而發熱，甚至冒煙，在某些情況下還可能會起火，很危險。因此，必須采取足夠的安全對策，比如為 VCC（電源）設置適當的電流限制。
短路耐受時間的重要性
短路耐受時間是保護功率器件、外圍電路和所連接元器件的重要參數。使用功率器件的電路中通常都配有針對過電流等風險的保護電路。當功率器件處于短路狀態時，保護電路會檢測出這種狀態并執行保護工作，但是從檢測出來到啟動保護工作之間需要 MCU 系統處理等時間，如果這個時間足夠長，就可以進行切實可靠的處理。也就是說，短路耐受時間是確保系統保護功能啟動所需的時間，該時間越長，系統處理的余量就越大，從而有助于提高系統的可靠性和安全性。
綜上所述，短路耐受時間是一項重要的參數，但并非所有的功率器件都會提供或保證該值。根據等級和應用的不同，有些產品沒有提供，有些提供了但只是典型值（Typ.），并不是保證值，還有些則明確提供了保證值，所以在使用前需要確認技術規格書。
此外，短路耐受時間越長越有優勢，但保證值會因制造商和產品系列而異。比如前面提到的 RGS 系列 IGBT ，保證值為 8μs（最小值），而另一個 RGT 系列的保證值則為5μs（最小值）。另外，由于 VCC 和溫度條件各不相同，因此不僅要確認值，還要確認條件，這點也很重要。作為實際示例，可以來查看一下鏈接中的這些 IGBT 的技術規格書。參數名稱：短路耐受時間（Short Circuit Withstand Time），符號：用 tSC 表示條件和保證值。
九、 內置快恢復二極管（FRD）的 IGBT
IGBT 的產品陣容中包括內置了快恢復二極管（以下簡稱“FRD”）的產品類型。在使用 IGBT 的逆變器和電機驅動應用中，二極管也會被用作開關期間產生的反向電流的路徑。這種二極管稱為“續流二極管”，通常使用“FRD”。針對將IGBT 和 FRD 配套使用的應用，有內置 FRD 的 IGBT 可用。
內置 FRD 的 IGBT，會在其技術規格書中標明內置 FRD，通常，其引腳排列圖中會如下圖 9 所示標明內置有 FRD。另外，除了 IGBT 的規格之外，技術規格書中還會提供內置FRD 的規格。
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由于不需要外接 FRD，因此內置 FRD 的優點包括可減少元器件數量和安裝面積，并提高可靠性。
內置于 IGBT 中的 FRD 的反向恢復特性和振鈴
在逆變器和電機驅動應用中，續流二極管需要具備的重要特性之一是高速，即反向恢復時間 trr 短。正如第 7 章“在電機應用中區分使用功率器件”中所述，開關時的開通損耗受反向恢復電流的影響很大，因此需要使用具有高速 trr 特性的 FRD 來降低損耗。也就是說，內置于 IGBT 中的 FRD也需要具備高速 trr 特性。
另一個關鍵要點是內置 FRD 的振鈴問題。對于 FRD 而言，trr 速度快意味著反向恢復電流急劇收斂，所以會發生振鈴（噪聲），而這從 EMC 的角度看就成了問題。因此，要求FRD 的反向恢復特性需要具有 trr 短且可柔和地收斂的特點。有這種考慮的產品稱為“軟恢復型”FRD。
作為示例，在下圖 10 中對內置軟恢復型 FRD 的 RGS 系列和 RGT 系列 IGBT 與內置普通 FRD 的 IGBT 之間的 FRD反向恢復特性進行了比較。
從上圖中可以看出，RGS 系列和 RGT 系列的內置 FRD，即使在 di/dt=1000A/μs 的高速開關條件下，盡管反向恢復電流的收斂速度很快也可以實現軟恢復，即使在 Tj=125℃的高溫條件下，也沒有發生振鈴。而普通產品則發生了很大的振鈴。
雖然內置 FRD 的 IGBT 用起來非常方便，但還是需要仔細確認其內置 FRD 的反向恢復特性，這是非常關鍵的要點，因為在處理高電壓和大電流的系統中發生的振鈴和浪涌很大，對 EMC 的影響也很大。
總結
本文章中介紹了 IGBT 的基礎知識，包括基于 IGBT 特點的適用范圍和應用示例、IGBT 的結構和工作原理、與其他功率晶體管的比較、在電機應用中的區分使用、重要的參數“短路耐受時間”以及 FRD 內置型 IGBT 的反向恢復特性等內容。除了 IGBT 外，還介紹了其他各種功率器件的特點。在實際應用中，根據應用需求區分使用這些產品是很重要的。
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