续 | 电动汽车动力"心脏"IGBT全面解析：构成本质、原理、工作范围、关键特性、应用指南

- 关于IGBT的基础概览和应用的指南

- 结合实践经验，对相关信息做了系统性的梳理和整合，相关参考详见文末

- 以下内容仅供参考，具体内容结合实际项目需要更改、拓展

- 本篇为节选，完整内容会在知识星球发布，欢迎学习交流

- 内容有些多，分两次发表

- 已于2024年10月14日更新完成（全文14,000+字）

今天将详细探讨IGBT的工作原理、结构特点、适用范围，以及与其他功率器件（如MOSFET和双极晶体管）的比较，并通过实际应用产品的分析，揭示IGBT在不同领域中的独特优势。

主要回答的问题包括：IGBT的基本结构和工作原理是什么？IGBT相较于其他功率器件有哪些独特特点？IGBT的适用范围及主要应用领域有哪些？以及在实际应用中，如何根据具体需求选择合适的IGBT产品或模块？

目录

• 1.1 IGBT初识
• 1.2 IGBT = MOSFET+双极晶体管？

• PNP晶体管
• MOSFET
• IGBT
• 三者有什么关系呢?

• 7.1 从输出能力和工作频率看
• 7.2 从电驱系统应用的损耗要点看

• 8.1 短路特性回顾
• 8.2 短路特性试验
• 8.3 短路特性结果分析
• 8.4 为什么短路特性是功率器件保护的关键？

• 9.1 什么是内置FRD?
• 9.2 为什么要内置FRD？
• 9.3 电机驱动逆变器中FRD的关键特性

IGBT，全称“Insulated Gate Bipolar Transistor”，中文名为“绝缘栅双极晶体管”，是一种由MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和双极晶体管组成的复合器件。这种复合设计使得IGBT同时具备了MOSFET和双极晶体管的优点，成为了一种高性能的功率晶体管。|SysPro说明：至于为什么说具备了两者优点？请继续往下看。

1.2 IGBT = MOSFET+双极晶体管？

如上文所述，IGBT是一种集成了MOSFET和双极晶体管优点的复合功率器件。它具备栅极、集电极、发射极三个引脚，其中栅极的设计与MOSFET相似，而集电极和发射极则与双极晶体管保持一致。

IGBT与MOSFET的不同形式及其应用范围

IGBT和MOSFET等功率元器件，在电力电子领域应根据其各自的特点进行合理应用，以充分发挥其性能优势。这些元器件不仅以单品（分立半导体）的形式被广泛使用，而且，将元

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下面我们接着聊聊IGBT的适用范围与其在实际应用产品之间的关系。

为了更清晰地展示这一点，我们参考下图，在02所述内容的基础上，从输出容量和工作频率两个维度出发，详细列出了IGBT分立产品、IGBT模块、Si MOSFET分立产品的适用范围。从图中可以读出两点信息：

图片来源：ROHM

总之，我们在实际应用中根据实际情况选择合适的功率器件。简单概括：IGBT因其在高电压、大电流条件下的稳定性和可靠性而被选中；而Si MOSFET则因其较高的开关速度和较低的导通电阻而在需要高频操作的应用中被选中；此外，IGBT模块相比分立器件，在大容量应用场合下相比更具优势。

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如上面所述，IGBT作为MOSFET和双极晶体管的复合器件，N沟道IGBT以其出色的性能成为了市场的主流产品。为了更深入地理解IGBT半导体的结构及其工作原理，我们可以借用下图的IGBT的电路图符号、等效电路，理解其如何通过栅极电压控制集电极和发射极之间的导通与关断，从而实现对电流的有效控制的?

图片来源：ROHM

在上面我们提到过：IGBT是一种集成了MOSFET和双极晶体管优点的复合功率器件，可以简单理解：IGBT = 一个N沟道MOSFET+一个PNP晶体管。具体来讲：

• IGBT的发射极和集电极，来自于PNP晶体管
• IGBT的栅极来自于MOSFET
• MOSFET的漏极与PNP晶体管的基极接在一起

图片来源：网络

在N沟道IGBT中，当栅极相对于发射极施加正电压V_GE时，例如15V，IGBT的工作原理与MOSFET类似，MOSFET开通，那么PNP晶体管基极被拉低，集电极与发射极之间将导通，此时集电极电流I_C会源源不断地流向发射极。

为了更直观地理解IGBT的内部结构和工作原理，我们可以参考下图的IGBT半导体结构示意图以及对应的等效电路图。图中，蓝色箭头（->）表示集电极电流IC的流动方向，我们可以将其与旁边的等效电路图进行对比，以更深入地理解IGBT的工作原理。

图片来源：ROHM

如上图所示，在N型沟道MOSFET的漏极一侧有一层P+集电极层。从集电极至发射极，其结构呈现出P型-N型-P型-N型的独特排列。在等效电路图中，我们站在IGBT的3个引脚视角理解下其结构：：

• IGBT栅极：Nch MOSFET的栅极与IGBT的栅极完全等同，位于一层绝缘膜之上
• IGBT集电极：PNP 晶体管的发射极是 P+层，相当于 IGBT 的集电极
• IGBT的N-漂移层：Nch MOSFET的漏极与PNP晶体管的基极等同，在功能上对应于IGBT的N-漂移层
• IGBT发射极：Nch MOSFET的源极与PNP晶体管的发射极相连，在功能上对应于IGBT地发射极N+层。

|SysPro说明：为了便于后续上述，补充说明下图中N型Mosfet。

Nch Mosfet，即N沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管（N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）。

结构上：Nch Mosfet的主要结构包括源极（Source）、漏极（Drain）、栅极（Gate）和衬底（或称为主体，Body）。其中，源极和漏极位于N型半导体材料中，而栅极则通过一层薄氧化物绝缘层与沟道隔离。衬底通常是P型半导体，与源极相连或短接。

图片来源：SysPro系统工程智库

MOSFET工作原理：

2. 导通与截止：通过调整栅极电压的大小，可以控制沟道的宽度和导电性，从而控制源极和漏极之间的电流。当栅极电压足够高时，沟道完全导通，电流可以自由流动；当栅极电压降低时，沟道逐渐变窄，电流减小；当栅极电压低于某一阈值时，沟道关闭，电流被阻断。

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(知识星球发布)

下面我们通过等效电路和结构截面图，直观展示IGBT的工作原理。这两张图示相互补充，帮助我们深入理解IGBT如何工作...

功率元器件在驱动系统中的应用关键

(知识星球发布)

每种功率元器件都拥有其独特的特点，因此，在选择使用哪种元器件时，通常需要根据目标应用及其所需的特性和性能来进行区分。那么，在电动汽车驱动系统的应用中，要如何正确地选择和使用IGBT、Si MOSFET以及SiC MOSFET呢？

7.2 从电驱系统应用的损耗要点看...

在电机应用中，根据具体的工作条件和性能需求，我们需要仔细评估这些功率器件的损耗特性，以确保选择出最适合的器件类型。下表通过对比不同器件在导通损耗和开关损耗方面的表现，我们可以更准确地判断哪种器件在特定应用场景下具有更优的性能...

IGBT的短路特性

(知识星球发布)

关于IGBT短路特性，我们在之前的文章《电动汽车驱动系统IGBT关键参数指南：开关特性、热特性、最大电压、额定电流、脉冲电流、反偏工作区、输出特性、Diode参数说明》中对IGBT的短路特性有过说明。下面是IGBT datasheet中描述的短路特性参数，包括：

• 短路电流I_SC
• 短路时IGBT所能承受的时间T_p

|SysPro说明：

1. 短路电流I_SC是针对短路类型I定义的（短路测试的要求）

2. 在实际应用中，实际的短路时间不要超过T_P的定义值，一般为10us，如上图。

图片来源：英飞凌

这里我们重点讨论短路特性中的第二点：短路时IGBT所能承受的时间T_p，这一参数定义了在功率元器件发生短路时，能够承受而不致损坏的时间长度，也被称为“允许的短路时间”。

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IGBT产品阵容中的内置快恢复二极管（FRD）

9.1 什么是内置FRD?...

9.2 为什么要内置FRD？...

9.3 电机驱动逆变器中FRD的关键特性（振铃问题解析）...

• 电动汽车驱动系统IGBT关键参数指南：开关特性、热特性、最大电压、额定电流、脉冲电流、反偏工作区、输出特性、Diode参数说明。

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2024年10月14日 晚

[参考资料]

[1] Zhou Yizheng, Infineon datasheet understanding

[2] Infineon-FF1400R17IP4P-DS-v03_01-CN

[3] Automotive IGBT Module Application Note

[4] ROHM, IGBT Application Scope

[5] ROHM, IGBT RGS系列/RGT系列 datasheet

[6] TechWeb, 在电机应用中区分使用功率元件

[7] TechWeb, 內建快速FRD的IGBT