作者：安森美
絕緣栅雙極晶體管 (IGBT)是電力電子領域廣泛應用的半導體器件，融合瞭金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和雙極結型晶體管（BJT）的優點，兼具高輸入阻抗和低導通電壓降的特點。盡管SiC和GaN等寬禁帶半導體的應用愈發廣泛，但在這些新技術興起前，IGBT已憑借高效、高可靠性的優勢，成爲許多高功率應用的理想選擇，至今仍适配多種應用場景。
本文将深入解讀器件結構、損耗計算、並聯設計、可靠性測試等，帶大家一站式搞懂 IGBT 的關鍵知識點。
IGBT器件結構
IGBT 是由 4 個交替層 (P-N-P-N) 組成的功率半導體晶體管，通過施加於金屬氧化物半導體 (MOS) 栅極的電壓進行控制。這一基本結構經過逐漸調整和優化後，可降低開關損耗，且器件厚度更薄。安森美（onsemi）推出的 IGBT 将溝槽栅與場截止結構相結合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行爲，該方法有助於降低器件的飽和電壓和導通電阻，從而提升整體功率密度。
圖 1：溝槽場截止 IGBT 結構
IGBT損耗計算
想要讓 IGBT 在系統中高效運行，精準計算損耗是關鍵！IGBT的損耗可以分解爲導通損耗和開關（開通和關斷）損耗，而二極管損耗包括導通和關斷損耗。準確測量這些損耗通常需要使用示波器，通過電壓和電流探針監視器件運行期間的波形。測量能量需要用到數學函數，確定一個開關周期的總能量後，将其除以開關周期時間便可得到功耗。
IGBT並聯設計
面對數十千瓦甚至數百千瓦的超大負載，單一 IGBT 器件往往難以勝任，此時 “並聯設計” 就成瞭大功率系統的核心解決方案。並聯器件可以是分立封裝器件，也可以是組裝在模塊中的裸芯片。這種設計不僅能獲得更高的額定電流、改善散熱，還可實現系統冗餘。需注意的是，部件之間的工藝變化以及布局變化，會影響並聯器件的靜态和動态電流分配。系統設計工程師需要瞭解這些，才能設計出可靠的系統。並因此系統設計工程師需重點考慮這些要點：靜态變化、動态變化、熱系數、栅極電阻、經驗數據等。
IGBT可靠性
作爲電力電子系統的 “核心器件”，IGBT 的可靠性對於保障整個系統的運行安全非常重要。IGBT需要經過一系列廣泛的可靠性測試以驗證一緻性，這些測試旨在加速實際應用中遇到的故障機制，從而確保在“真實世界”應用中獲得令人滿意的可靠性能。
IGBT常規進行的可靠性測試包括：高溫反向偏置 (HTRB)、高溫栅極偏置 (HTGB)、高溫儲存壽命 (HTSL) 測試、高濕高溫反向偏置 (H3TRB)、無偏高加速壓力測試 (UHAST)、間歇性工作壽命 (IOL)、溫度循環 (TC)、低溫儲存壽命 (LTSL) 測試、穩态工作壽命 (SSOL) 測試等。 |
