IGBT 基礎(chǔ)教程：第 1 部分如何選擇 IGBT

IGBT全稱叫絕緣柵雙極型晶體管，是一種復(fù)合型結(jié)構(gòu)器件，它結(jié)合了MOS晶體管和BJT雙極型晶體管的優(yōu)點(diǎn)，在電壓電流轉(zhuǎn)換，電能輸出領(lǐng)域用的非常多，特別是在高壓大電流領(lǐng)域，IGBT占主導(dǎo)地位，是人類控制電能，利用電能的核心半導(dǎo)體器件之一，這種主要應(yīng)用在電子電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件，我們統(tǒng)稱功率半導(dǎo)體，最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，比如我們的筆記版電腦上都帶有電源適配器，這里面就是IGBT，起到一個(gè)升降壓，交直流變化的過程，顯然IGBT是功率半導(dǎo)體中最重要的一員。它的功能就是控制電，是電能轉(zhuǎn)換與應(yīng)用的核心芯片。

絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 結(jié)合了易于驅(qū)動(dòng)的 MOS 柵極和低傳導(dǎo)損耗，正在迅速取代功率雙極晶體管，成為大電流和高電壓應(yīng)用的首選器件。開關(guān)速度、傳導(dǎo)損耗和耐用性之間的權(quán)衡平衡現(xiàn)在正在微調(diào)，因此 IGBT 正在蠶食功率 MOSFET 的高頻、高效率領(lǐng)域。事實(shí)上，除了極低電流應(yīng)用外，行業(yè)趨勢(shì)是 IGBT 取代功率 MOSFET。

清潔能源的大規(guī)模推廣，對(duì)IGBT提出更高的需求，最典型就是光伏逆變器的應(yīng)用，這里面需要大量高壓，超高壓的IGBT以及IGBT模塊，來讓光伏發(fā)出的粗電，變成能平穩(wěn)上網(wǎng)的精細(xì)電，因此這是未來碳中和非常重要的環(huán)節(jié)。

IGBT在電動(dòng)車時(shí)代的應(yīng)用，過去汽車都是燃油車，無論汽油怎么改，都不能改變汽油車尾氣的排放問題，但是現(xiàn)在提倡的是節(jié)能環(huán)保的新能源車，未來將是新能源電動(dòng)汽車時(shí)代，而電動(dòng)汽車又需要用到大量的IGBT等功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。清潔電能的獲取和利用是未來減少二氧化碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，而電能的利用就離不開功率半導(dǎo)體，就離不開IGBT。

如何選擇 IGBT

本節(jié)特意放在技術(shù)討論之前。對(duì)以下一組亟待解決的問題的回答將有助于確定哪種 IGBT 適合特定應(yīng)用。Non Punch-Through (NPT) 和 Punch-Through (PT) 設(shè)備之間的區(qū)別以及術(shù)語和圖表將在后面解釋。

1. 工作電壓是多少?IGBT 必須阻斷的最高電壓不應(yīng)超過 VCES 額定值的 80%。

2. 是硬切換還是軟切換?由于尾電流減少，PT 器件更適合軟開關(guān)，但 NPT 器件也可以工作。

3. 流過設(shè)備的電流是多少?零件編號(hào)中的前兩個(gè)數(shù)字粗略地指示了可用電流。對(duì)于硬開關(guān)應(yīng)用，可用頻率與電流的關(guān)系圖有助于確定設(shè)備是否適合應(yīng)用。應(yīng)考慮數(shù)據(jù)表測(cè)試條件和應(yīng)用程序之間的差異，稍后將給出如何做到這一點(diǎn)的示例。對(duì)于軟開關(guān)應(yīng)用，I C2額定值可用作起點(diǎn)。

4. 期望的開關(guān)速度是多少?如果答案是“越高越好”，那么 PT 設(shè)備是最佳選擇。同樣，可用頻率與電流的關(guān)系圖有助于回答硬開關(guān)應(yīng)用的這個(gè)問題。

5. 是否需要短路耐受能力?對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用，答案是肯定的，而且開關(guān)頻率也往往相對(duì)較低。將需要 NPT 裝置。開關(guān)模式電源通常不需要短路能力。

Microsemi 的高級(jí)電源技術(shù)提供三個(gè)系列的 IGBT，以涵蓋廣泛的應(yīng)用：

· 功率 MOS 7 系列” 600V 和 1200V PT 技術(shù) IGBT 在部件號(hào)中標(biāo)有“GP”，是市場(chǎng)上最快的 IGBT 之一，設(shè)計(jì)用于高頻和/或軟開關(guān)等尾電流敏感應(yīng)用。

· Thunderbolt 系列“僅 600V 的 NPT 技術(shù) IGBT，在部件號(hào)中標(biāo)有“GT”，在硬開關(guān)應(yīng)用中能夠達(dá)到 150kHz 的快速 IGBT，適用于開關(guān)模式電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的短路額定堅(jiān)固器件。

· 快速系列“600V 和 1200V NPT 技術(shù) IGBT 在部件號(hào)中標(biāo)有“GF”，具有低導(dǎo)通電壓的短路額定堅(jiān)固器件，適用于低于 100kHz 的硬開關(guān)操作，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

APT 的 Power MOS 7 IGBT 的獨(dú)特之處在于，它們的開關(guān)速度極快，并且采用了專有的金屬柵極和開式單元結(jié)構(gòu)。結(jié)果是極低的內(nèi)部等效柵極電阻 (EGR)，通常只有幾分之一歐姆;比多晶硅柵極器件低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。低 EGR 可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗。金屬柵極和開放單元結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)柵極的極其均勻和快速的激發(fā)，從而最大限度地減少開關(guān)瞬態(tài)期間的熱點(diǎn)并提高可靠性。開孔結(jié)構(gòu)也更能容忍制造過程中引起的缺陷。