IGBT基础知识：器件结构、损耗计算、并联设计、可靠性

绝缘栅双极晶体管 (IGBT)是电力电子领域广泛应用的半导体器件，融合了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)的优点，兼具高输入阻抗和低导通电压降的特点。尽管SiC和GaN等宽禁带半导体的应用愈发广泛，但在这些新技术兴起前，IGBT已凭借高效、高可靠性的优势，成为许多高功率应用的理想选择，至今仍适配多种应用场景。

本文将深入解读器件结构、损耗计算、并联设计、可靠性测试等，带大家一站式搞懂 IGBT 的关键知识点。

IGBT器件结构

IGBT 是由 4 个交替层 (P-N-P-N) 组成的功率半导体晶体管，通过施加于金属氧化物半导体 (MOS) 栅极的电压进行控制。这一基本结构经过逐渐调整和优化后，可降低开关损耗，且器件厚度更薄。安森美(onsemi)推出的 IGBT 将沟槽栅与场截止结构相结合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行为，该方法有助于降低器件的饱和电压和导通电阻，从而提升整体功率密度。

图 1：沟槽场截止 IGBT 结构

IGBT损耗计算

想要让 IGBT 在系统中高效运行，精准计算损耗是关键!IGBT的损耗可以分解为导通损耗和开关(开通和关断)损耗，而二极管损耗包括导通和关断损耗。准确测量这些损耗通常需要使用示波器，通过电压和电流探针监视器件运行期间的波形。测量能量需要用到数学函数，确定一个开关周期的总能量后，将其除以开关周期时间便可得到功耗。

IGBT并联设计

面对数十千瓦甚至数百千瓦的超大负载，单一 IGBT 器件往往难以胜任，此时 “并联设计” 就成了大功率系统的核心解决方案。并联器件可以是分立封装器件，也可以是组装在模块中的裸芯片。这种设计不仅能获得更高的额定电流、改善散热，还可实现系统冗余。需注意的是，部件之间的工艺变化以及布局变化，会影响并联器件的静态和动态电流分配。系统设计工程师需要了解这些，才能设计出可靠的系统。并因此系统设计工程师需重点考虑这些要点：静态变化、动态变化、热系数、栅极电阻、经验数据等。

IGBT可靠性

作为电力电子系统的 “核心器件”，IGBT 的可靠性对于保障整个系统的运行安全非常重要。IGBT需要经过一系列广泛的可靠性测试以验证一致性，这些测试旨在加速实际应用中遇到的故障机制，从而确保在“真实世界”应用中获得令人满意的可靠性能。

IGBT常规进行的可靠性测试包括：高温反向偏置 (HTRB)、高温栅极偏置 (HTGB)、高温储存寿命 (HTSL) 测试、高湿高温反向偏置 (H3TRB)、无偏高加速压力测试 (UHAST)、间歇性工作寿命 (IOL)、温度循环 (TC)、低温储存寿命 (LTSL) 测试、稳态工作寿命 (SSOL) 测试等。