电力电子器件知识讲座(八)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(二)

3.5 IGBT的结电容特性

在IGBT芯片中，各个不同电极之间都有一定的寄生电容存在，IGBT的等效结电容如图13所示。其中，Cies是指栅极与发射极之间的输入电容；Coes是指集电极与发射极之间的输出电容；Cres是指集电极与栅极之间的反向传输电容。这些电容的大小对驱动电路和缓冲电路的设计都非常重要。图14所示为某型号IGBT结电容的特性曲线。由图中可以看出，随着驱动电阻的增加，IGBT的等效寄生电容有减小的趋势。

3.6 IGBT的损耗特性

IGBT在开关过程并不是瞬间完成的，而是需要一定的时间，在这段时间内，电流电压将会有一段重叠时间，因而会产生一定的损耗。IGBT开通过程中，IGBT承受的电压UCE与集电极电流IC存在重叠时间。在重叠时间中，IGBT承受的电压UCE与集电极电流IC乘积的积分为IGBT每开通一次所损耗的能量。开通损耗随电流增加而增加，如图15所示。

IGBT在关断过程中承受的电压UCE与集电极电流IC也存在重叠时间。在关断过程的重叠时间中，IGBT承受的电压UCE与集电极电流IC乘积的积分为IGBT每关断一次所损耗的能量。关断损耗取决于IGBT的关断特性设计，与饱和压降有折中关系。由于IGBT的关断与内部寄生晶体管的关断有关，因此与功率MOSFET相比，关断时间较长，IGBT的关断损耗特性如图16所示。

栅极驱动电阻对IGBT的开关损耗有较大影响。如图17所示，栅极电阻愈小，IGBT的开关过程愈迅速，开通损耗和关断损耗就愈小。但是，栅极电阻愈小，IGBT开通过程的di/dt就愈大，IGBT的内置二极管反向恢复损耗也愈大。一般需要综合考虑合理选择驱动电阻。

IGBT处于导通状态时，内部导通电阻和PN结压降造成IGBT在导通时有一定的饱和压降。这个饱和压降使得IGBT在导通时也存在一定的导通损耗，称之为通态损耗。与MOSFET不同，由于IGBT利用电导调制效应，因此IGBT的饱和压降较小，约为1.5~3V。IGBT的饱和压降UCE(sat)与集电极电流IC关系如图18所示。在小电流情况下，UCE(sat)与IC关系表现为负温度系数，即在相同的通态电流条件下，结温高时的IGBT饱和压降要比结温低时的低；而大电流下，则表现为正温度系数。原因是在小电流情况下，IGBT导通时等效晶体管的PN结压降等起支配作用，故具有负温度系数，而在大电流情况下，长基区电阻起支配作用，使得器件具有正温度系数。

综合通态损耗、开关损耗，IGBT的总损耗为

Pt=UCEICD+(Eon+Eoff)f(2)

式中，IC为IGBT导通时流过的电流；D为IGBT导通占空比；Eon和Eoff分别为开通损耗和关断损耗；f为开关频率。

3.7 IGBT的安全工作区

IGBT的安全工作区(Safe Operation Area，SOA)是指在不损坏IGBT的前提下，器件在开通或关断时，开关管集电极电流IC和集电极-发射极电压UCE所围成的一个区域。根据导通和关断两个物理过程，对IGBT定义了两个不同的安全工作区，分别是正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。相对于功率MOSFET而言，IGBT有相对大很多的正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。

IGBT开通时的正向偏置安全工作区(FBSOA)由集电极电流、集电极-发射极电压和集电极功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM由避免IGBT发生动态擎住效应而限制，最大集电极-发射极电压UCE是由IGBT中PN结J2所能承受的最大电压所限制，最大功耗则是由最高允许结温所决定。器件导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，直流工作时导通时间最长，安全工作区最小，如图19所示。

IGBT的反向偏置安全工作区(RBSOA)如图20所示。它是由最大集电极电流、最大集电极-发射极间电压和允许的最大集电极-发射极电压上升率dUCE/dt确定。这个区域表示驱动电压为零或负值时，器件关断瞬态的限制区域。随着IGBT关断时集电极-发射极电压上升率dUCE/dt增加，反向偏置安全工作区变窄。

为了反映IGBT承受过载电流时的关断能力，引入短路安全工作区(Short Circuit SOA，SCSOA)的概念，如图21所示。图的实线部分为反向偏置安全工作区(RBSOA)，虚线部分表示短路安全工作区。SCSOA在集电极过载电流增大时有变窄的倾向，这点在设计时需要加以注意。IGBT可以在反向偏置安全工作区(RBSOA)连续、重复运行，但在短路安全工作区(SCSOA)只能单次运行或长时间间隔运行，主要用于短路保护。

在IGBT的应用电路设计时，必须保证IGBT在开通瞬间、关断瞬间以及短路瞬间，IGBT的电压电流的运行轨迹(UCE－IC)全部落在对应的安全工作区内，否则器件就会损坏。通常通过设计吸收电路，确保IGBT的工作轨迹在安全工作区内。

4 IGBT的选择

4.1 绝缘栅双极晶体管IGBT的识别

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是三极管和MOSFET的复合器件，具有下列优点：开关速度高，开关损耗小；在电压1000V以上时，开关损耗只有普通三极管的1/10，与MOSFET相当；在相同电压和额定电流时，安全工作区比三极管大，且具有耐脉冲电流冲击能力；通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域；输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似；与MOSFET和三极管相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时还可保持开关频率高的特点。

绝缘栅双极晶体管有三个电极：栅极G、集电极C和发射极E。电气图形符号如图22和图23所示。

图22(a)带续流二极管单元封装的IGBT模块；(b)不带续流二极管单元封装的IGBT模块；(c)带两个续流二极管的低端斩波器用IGBT模块；(d)带两个续流二极管的高端斩波器用IGBT模块；(e)带一个续流二极管的斩波器用IGBT模块；(f)带一个续流二极管的斩波器用IGBT模块；(g)带有阻塞二极管的斩波器用IGBT模块；(h)带有阻塞二极管的斩波器用IGBT模块；(i)续流二极管与IGBT独立封装的斩波器用IGBT模块；(j)带续流二极管两单元单桥封装的IGBT模块；(k)带续流二极管两个独立封装的IGBT模块；(l)两单元同时共栅与共发射极封装的IGBT模块；(m)带有独立整流管的两单元同时共栅与共发射极封装的IGBT模块；(n)三单元同时共栅与共发射极封装的IGBT模块；(o)四单元单相桥封装的IGBT模块；(p)四单元两个独立半桥封装的IGBT模块；(q)由不带续流二极管的IGBT与独立整流管组成四单元封装的IGBT模块；(r)单单元三相全控桥封装的IGBT模块；(s)六单元三个独立桥臂封装的IGBT模块；(t)六单元三个独立共发射极和共集电极封装的IGBT模块；(u)六单元三桥臂上端共集电极封装的IGBT模块。

图23中：(a)三相整流桥与三相IGBT逆变桥混合封装的IGBT模块；(b)单相整流桥与三相IGBT逆变桥混合封装的IGBT模块；(c)三相IGBT逆变桥与IGBT斩波管混合封装的IGBT模块；(d)三相整流桥与三相IGBT逆变桥及IGBT斩波回路封装的IGBT模块；(e)三相整流桥与IGBT斩波管封装的IGBT模块；(f)带有温度传感器的半桥IGBT模块；(g)带有温度传感器的；(h)带有温度传感器的三相整流桥与IGBT斩波管封装的IGBT模块；(i)带有温度传感器的晶闸管半控桥与IGBT斩波管混合封装的IGBT模块；(j)带有温度传感器的三相整流桥与三相IGBT逆变桥及IGBT斩波回路封装的IGBT模块；(k)带有温度传

感器的单相整流桥与三相IGBT逆变桥IGBT斩波回路封装的IGBT；(l)带有温度传感器的单相整流桥与三相IGBT逆变桥及电流互感器封装的IGBT模块；(m)带有温度传感器的三相整流桥与三相IGBT逆变桥及IGBT斩波回路、电流互感器封装的IGBT模块；(n)带有温度传感器的六单元三相全控桥及电流互感器封装的IGBT模块。(未完待续)