電動汽車動力系統(tǒng)中IGBT全面解析

以下文章來源于SysPro系統(tǒng)工程智庫 ，作者SysPro系統(tǒng)工程

導語：IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，作為MOSFET和雙極晶體管的復合器件，是電動汽車動力系統(tǒng)的核心部件，以其高工作頻率、高電流性能和低開關損耗等特點，確保了電動汽車的穩(wěn)定性和安全性。它不僅是電力電子裝置中的"大腦"，精準控制電能，還顯著提升了整車的能源效率和性能。在電動汽車的成本構成中，IGBT占據(jù)了重要比例，是除電池外成本第二高的元件。

今天將詳細探討IGBT的工作原理、結構特點、適用范圍，以及與其他功率器件(如MOSFET和雙極晶體管)的比較，并通過實際應用產(chǎn)品的分析，揭示IGBT在不同領域中的獨特優(yōu)勢。

主要回答的問題包括：IGBT的基本結構和工作原理是什么?IGBT相較于其他功率器件有哪些獨特特點?IGBT的適用范圍及主要應用領域有哪些?以及在實際應用中，如何根據(jù)具體需求選擇合適的IGBT產(chǎn)品或模塊?

01什么是IGBT?

1.1 IGBT初識

IGBT，全稱”Insulated Gate Bipolar Transistor“，中文名為”絕緣柵雙極晶體管“，是一種由MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)和雙極晶體管組成的復合器件。這種復合設計使得IGBT同時具備了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點，成為了一種高性能的功率晶體管。|SysPro說明：至于為什么說具備了兩者優(yōu)點?請繼續(xù)往下看。

圖片來源：英飛凌

IGBT主要分為N溝道型和P溝道型兩種，其中N溝道型是目前市場上的主流產(chǎn)品，在N溝道型IGBT中，當柵極相對于發(fā)射極施加正電壓時，與MOSFET類似，通過電壓控制使集電極與發(fā)射極之間導通，允許集電極電流流過。

為了更直觀地理解IGBT的工作原理和結構，我們可以參考下圖。下圖展示了N溝道IGBT的電路圖符號及其等效電路。在IGBT的等效電路中，我們可以看到其由柵極(G)、集電極(C)和發(fā)射極(E)三個主要電極組成。當柵極電壓超過一定閾值時，IGBT開始導通，允許電流從集電極流向發(fā)射極。這一過程中，IGBT的導通壓降和開關速度等性能參數(shù)都發(fā)揮著重要作用。

圖片來源：硬件攻城獅

此外，IGBT的優(yōu)越性能還體現(xiàn)在其高輸入阻抗、低驅動功率、高電流密度和低導通壓降等方面。這些特點使得IGBT在高壓、大功率的應用場合中表現(xiàn)出色，如電力傳動、新能源發(fā)電和軌道交通等領域。

1.2 IGBT = MOSFET+雙極晶體管?

如上文所述，IGBT是一種集成了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點的復合功率器件。它具備柵極、集電極、發(fā)射極三個引腳，其中柵極的設計與MOSFET相似，而集電極和發(fā)射極則與雙極晶體管保持一致。

IGBT之所以備受青睞，正是因為它巧妙地結合了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點。

MOSFET：因柵極絕緣而擁有高輸入阻抗和較快的開關速度，但在高電壓下導通電阻較高

雙極晶體管：雖能在高電壓下保持低導通電阻，卻面臨輸入阻抗低和開關速度慢的局限。IGBT則取長補短，既具備高輸入阻抗和相對快速的開關速度，又能在高電壓條件下實現(xiàn)低導通電阻。

在實際應用中，IGBT因其在高電壓應用中的出色表現(xiàn)而備受青睞，而MOSFET則更適合低電壓環(huán)境。這些器件在各自擅長的領域內(nèi)發(fā)揮著重要作用，確保了電力電子系統(tǒng)的高效運行。

02IGBT與MOSFET的不同形式及其應用范圍

IGBT和MOSFET等功率元器件，在電力電子領域應根據(jù)其各自的特點進行合理應用，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。這些元器件不僅以單品(分立半導體)的形式被廣泛使用，而且，將元

器件與其他基礎組件結合形成的“模塊”形式，也擁有極為廣泛的應用范圍。如下圖所示為英飛凌集成IGBT和SIC的HybridPACK Drive G2 module FS1150。

為了更直觀地展示這些功率元器件的應用領域，我們可以參考下圖，從輸出容量和開關頻率兩個維度出發(fā)，繪制了IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET、雙極晶體管的適用范圍。我們可以清晰地看出：不同種類的功率元器件在不同條件下都有其獨特的優(yōu)勢。

具體而言：IGBT分立產(chǎn)品的工作頻率范圍在1kHz到60kHz的區(qū)間，同時其輸出容量也稍高于1kVA。而當IGBT以模塊形式應用時，盡管工作頻率的上限與分立產(chǎn)品相似，但其輸出容量卻可顯著提升，最高可達100MVA以上。值得注意的是，隨著輸出容量的增加，由于開關損耗等因素的制約，IGBT的工作頻率會相應降低。

因此，在選擇和使用時，我們需要根據(jù)具體的應用需求和工作環(huán)境，合理選擇IGBT、MOSFET等元器件及其模塊形式，以實現(xiàn)最佳的性能和效益。

圖片來源：Tech Web

03IGBT適用范圍與應用產(chǎn)品關系解析

下面我們接著聊聊：IGBT的適用范圍與其在實際應用產(chǎn)品之間的關系。

為了更清晰地展示這一點，我們參考下圖，在02所述內(nèi)容的基礎上，從輸出容量和工作頻率兩個維度出發(fā)，詳細列出了IGBT分立產(chǎn)品、IGBT模塊、Si MOSFET分立產(chǎn)品的適用范圍。從圖中可以讀出兩點信息：

1. 盡管某些應用產(chǎn)品在多個器件的適用范圍內(nèi)存在重疊，但在處理高電壓、大電流的電車和混合動力/電動汽車領域，IGBT模塊仍然是主流產(chǎn)品。

2. 分立式IGBT和Si MOSFET在家電和小型工業(yè)設備等應用中有著廣泛的需求，這些領域主要根據(jù)工作頻率方面的優(yōu)勢來選擇使用哪種器件。

圖片來源：ROHM

總之，我們在實際應用中根據(jù)實際情況選擇合適的功率器件。簡單概括：IGBT因其在高電壓、大電流條件下的穩(wěn)定性和可靠性而被選中;而Si MOSFET則因其較高的開關速度和較低的導通電阻而在需要高頻操作的應用中被選中;此外，IGBT模塊相比分立器件，在大容量應用場合下相比更具優(yōu)勢。

04IGBT基本結構說明(簡明易懂)

如上面所述，IGBT作為MOSFET和雙極晶體管的復合器件，N溝道IGBT以其出色的性能成為了市場的主流產(chǎn)品。為了更深入地理解IGBT半導體的結構及其工作原理，我們可以借用下圖的IGBT的電路圖符號、等效電路，理解其如何通過柵極電壓控制集電極和發(fā)射極之間的導通與關斷，從而實現(xiàn)對電流的有效控制的?

圖片來源：ROHM

在上面我們提到過：IGBT是一種集成了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點的復合功率器件，可以簡單理解：IGBT = 一個N溝道MOSFET+一個PNP晶體管。具體來講：

IGBT的發(fā)射極和集電極，來自于PNP晶體管

IGBT的柵極來自于MOSFET

MOSFET的漏極與PNP晶體管的基極接在一起

圖片來源：網(wǎng)絡

在N溝道IGBT中，當柵極相對于發(fā)射極施加正電壓VGE時，例如15V，IGBT的工作原理與MOSFET類似，MOSFET開通，那么PNP晶體管基極被拉低，集電極與發(fā)射極之間將導通，此時集電極電流IC會源源不斷地流向發(fā)射極。

為了更直觀地理解IGBT的內(nèi)部結構和工作原理，我們可以參考下圖的IGBT半導體結構示意圖以及對應的等效電路圖。圖中，藍色箭頭(->)表示集電極電流IC的流動方向，我們可以將其與旁邊的等效電路圖進行對比，以更深入地理解IGBT的工作原理。

圖片來源：ROHM

如上圖所示，在N型溝道MOSFET的漏極一側有一層P+集電極層。從集電極至發(fā)射極，其結構呈現(xiàn)出P型-N型-P型-N型的獨特排列。在等效電路圖中，我們站在IGBT的3個引腳視角理解下其結構：：

IGBT柵極：Nch MOSFET的柵極與IGBT的柵極完全等同，位于一層絕緣膜之上

IGBT集電極：PNP 晶體管的發(fā)射極是 P+層，相當于 IGBT 的集電極

IGBT的N-漂移層：Nch MOSFET的漏極與PNP晶體管的基極等同，在功能上對應于IGBT的N-漂移層

IGBT發(fā)射極：Nch MOSFET的源極與PNP晶體管的發(fā)射極相連，在功能上對應于IGBT地發(fā)射極N+層。

|SysPro說明：為了便于后續(xù)上述，補充說明下圖中N型Mosfet。

Nch Mosfet，即N溝道金屬-氧化物半導體場效應晶體管(N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。

結構上：Nch Mosfet的主要結構包括源極(Source)、漏極(Drain)、柵極(Gate)和襯底(或稱為主體，Body)。其中，源極和漏極位于N型半導體材料中，而柵極則通過一層薄氧化物絕緣層與溝道隔離。襯底通常是P型半導體，與源極相連或短接。

圖片來源：SysPro系統(tǒng)工程智庫

MOSFET工作原理：

1. 柵極電壓控制：當柵極電壓相對于源極為正時，柵極下方的氧化物絕緣層中的電場會吸引溝道中的電子，形成一層導電溝道。這個溝道允許源極和漏極之間的電流流動。

2. 導通與截止：通過調(diào)整柵極電壓的大小，可以控制溝道的寬度和導電性，從而控制源極和漏極之間的電流。當柵極電壓足夠高時，溝道完全導通，電流可以自由流動;當柵極電壓降低時，溝道逐漸變窄，電流減小;當柵極電壓低于某一閾值時，溝道關閉，電流被阻斷。

05IGBT工作原理解析(知識星球發(fā)布)

下面我們通過等效電路和結構截面圖，直觀展示IGBT的工作原理。這兩張圖示相互補充，幫助我們深入理解IGBT如何工作...

06三胞胎的差異：IGBT、MOSFET、雙極晶體管(知識星球發(fā)布)

聊到這里，可能有一些小伙伴已經(jīng)對IGBT、MOSFET、雙極晶體管的概念有所混淆。下面我們重點對這"三胞胎"做個補充解釋。之所以稱他們是"三胞胎"，主要是他們在結構上和功能上有相似性，但是其基因又有所不同，且在電子電路中各有側重。

為了在不同應用場景中做出合適的選擇，我們需要深的優(yōu)缺點，并根據(jù)具體需求進行區(qū)分使用。一張圖說明各類功率晶體管特征：...

PNP晶體管...

MOSFET...

IGBT...

三者有什么關系呢?...

07功率元器件在驅動系統(tǒng)中的應用關鍵(知識星球發(fā)布)

每種功率元器件都擁有其獨特的特點，因此，在選擇使用哪種元器件時，通常需要根據(jù)目標應用及其所需的特性和性能來進行區(qū)分。那么，在電動汽車驅動系統(tǒng)的應用中，要如何正確地選擇和使用IGBT、Si MOSFET以及SiC MOSFET呢?7.1 從輸出能力和工作頻率看...7.2 從電驅系統(tǒng)應用的損耗要點看...

08IGBT的短路特性(知識星球發(fā)布)

關于IGBT短路特性，我們在之前的文章《電動汽車驅動系統(tǒng)IGBT關鍵參數(shù)指南：開關特性、熱特性、最大電壓、額定電流、脈沖電流、反偏工作區(qū)、輸出特性、Diode參數(shù)說明》中對IGBT的短路特性有過說明。下面是IGBT datasheet中描述的短路特性參數(shù)，包括：

短路電流ISC

短路時IGBT所能承受的時間Tp

|SysPro說明：

1. 短路電流I_SC是針對短路類型I定義的(短路測試的要求)

2. 在實際應用中，實際的短路時間不要超過T_P的定義值，一般為10us，如上圖。

下圖說明了短路類型I和短路類型II的物理含義：

圖片來源：英飛凌

這里我們重點討論短路特性中的第二點：短路時IGBT所能承受的時間Tp，這一參數(shù)定義了在功率元器件發(fā)生短路時，能夠承受而不致?lián)p壞的時間長度，也被稱為“允許的短路時間”。...

8.1 短路特性回顧...

8.2 短路特性試驗...

8.3 短路特性結果分析...

8.4 為什么短路特性是功率器件保護的關鍵?...

09IGBT產(chǎn)品陣容中的內(nèi)置快恢復二極管(FRD)(知識星球發(fā)布)

在IGBT的產(chǎn)品系列中，一部分產(chǎn)品內(nèi)置了快FRD(Fast Recovery Diode，快恢復二極管)。在使用IGBT的逆變器和電機驅動應用中，F(xiàn)RD被用作開關期間產(chǎn)生的反向電流的路徑。當IGBT關斷時，其負載(通常是感性的)會產(chǎn)生反向電流，這個電流需要通過FRD來續(xù)流，以防止電壓尖峰和損壞器件...

9.1 什么是內(nèi)置FRD?...

9.2 為什么要內(nèi)置FRD?...

9.3 電機驅動逆變器中FRD的關鍵特性...