IGBT基礎知識：器件結構、損耗計算、并聯設計、可靠性

絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)是電力電子領域廣泛應用的半導體器件，融合了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，成為許多高功率應用的理想選擇，至今仍適配多種應用場景。

本文將深入解讀器件結構、損耗計算、并聯設計、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，通過施加于金屬氧化物半導體 (MOS) 柵極的電壓進行控制。這一基本結構經過逐漸調整和優化后，可降低開關損耗，且器件厚度更薄。安森美（onsemi）推出的 IGBT 將溝槽柵與場截止結構相結合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行為，該方法有助于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的損耗可以分解為導通損耗和開關（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后，將其除以開關周期時間便可得到功耗。

IGBT并聯設計

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 “并聯設計” 就成了大功率系統的核心解決方案。并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，還可實現系統冗余。需注意的是，部件之間的工藝變化以及布局變化，會影響并聯器件的靜態和動態電流分配。系統設計工程師需要了解這些，才能設計出可靠的系統。并因此系統設計工程師需重點考慮這些要點：靜態變化、動態變化、熱系數、柵極電阻、經驗數據等。

IGBT可靠性

作為電力電子系統的 “核心器件”，IGBT 的可靠性對于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致性，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)、高溫柵極偏置 (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、穩態工作壽命 (SSOL) 測試等。