一、IGBT的基本结构
IGBT本质是一只场效应晶体管，在结构上类似于MOSFET管，其不同点在于IGBT是在N沟道功率型MOSFET管的N+基极(漏极)上增加了一个P叶基极(IGBT 的集电极)，形成PN结，如图1所示。从内部结构看，可以将IGBT等效为一只以N沟道MOSFET型管为输入极，以两只三极管组成的达林顿管为输出极的复合器件，如图2所示。按照引出线位置及电流方向，IGBT的三极命名分别为G(栅极或门极)c(集电极)、e(发射极)。
IGBT是一种以达林顿管为主导件、MOSFET管为驱动件的一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流跟驱动功率都非常小，其导通和关断是由G、E极之间的电压(常称栅极电压)来控制的。当给栅极加上一定的正电压时，MOSFET管内形成沟道，为PNP三极管提供基极电流通路，则PNP三极管导通，即IGBT导通。当给栅极上加负电压时，MOSFET管内的沟道消失， PNP三极管的基极电流通路被切断，则IGBT关断。
二、IGBT的工作特性
IGBT和普通三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区。在实际应用中，IGBT主要是作为开关器件。因此，需特别关注其饱和导通和截止这两个状态，要求其导通上升沿和关断下降沿应尽可能陡峭，尤其是用在高频电路中时，因为这样才能有效地降低IGBT的开关损耗。
1.静态特性
IGBT的伏安特性是以栅射极电压UGe为参变量，集电极电流ic和集射极电压Uce之间的关系曲线，如图3所示，分为饱和区、放大区和击穿区三部分。
在正向导通的大部分区域内，ic与Uce呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。在伏安特性明显弯曲部分，ic与Uce呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。在实际电路中， IGBT多工作在饱和或关断状态。若IGBT工作于放大状态，则IGBT的损耗将会大幅上升。
IGBT的转移特性是指集电极电流Ic与栅射电压UGe之间的关系曲线，如图4所示，它与MOSFET的转移特性相同，当栅极电压小于开启电压UGe(th)时，IGBT处于关断状态;当UGe>UGe(th)时，IGBT导通，在IGBT导通后的较大ic电流范围内，ic与UGe呈线性关系。
2.动态特性
由于IGBT的G、e极和G、c极间存在着分布电容Cge和Cgc，且e极外围电路中存在分布电感Le，如图5所示，所以IGBT的导通与关断均需要一定时间， 即存在导通时间ton与关断时间toff。
当给IGBT的G极加上高电平时，电压给Rg及Cge充电，IGBT的G极电压有一个上升过程。当G极电压达到UGe(th)时，才会产生集电极电流ic。随着ic的上升，Le上的感应电压也随之增大，UGe也会有所上升，这样就减缓了ic的增长。同样，当栅极驱动电压开始下降时，IGBT立即进人线性工作区，Uce开始_上升，此时由于Cgc的充电作用，使得IGBT的UGe及ic并不能立即降为0，而是过一段时间后才降为0，关断结束。
IGBT的波形如图6所示。导通时，驱动电压UGe的前沿从幅值的10%升至其90%所用时间称为导通延时时间td，集电极电流ic从0上升到其幅值(Icm)的90%所用时间为tr，则导通时间ton=td +tr。同样，在截止时，UGe与ic均有一个下降过程，其对应的时间为ts和tf，则tof=ts+tf。
另外在IGBT管饱和导通过程中，IGBT的集射极间的电压Uce的下降时间由tfu1和tfu2两部分组成，前者为MOSFET管单独工作的电压下降时间，后者为MOSFET管与三极管同时工作的电压下降时间，由于三极管由放大状态转人饱和状态需要一定时间，因此，tfu2段电压下降过程变缓。只有在tfu2段结束后，IGBT才完全进人饱和状态。提示:为了获得较好的开关特性，除应选用Cge、Cgc和Le较小的IGBT外，还要求其栅极驱动电路的内阻尽量小。
3.栅极特性
IGBT是一种高阻抗电压控制型器件，其栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。正常工作时栅极与发射极间只有微安级的漏电流。由于氧化膜很薄，其击穿电压一般为20V~30V。因此，栅极击穿是IGBT损坏的常见原因之一。
在实际应用中，虽然栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和G 、c极间的寄生电容会产生振荡电压，易损坏氧化层。为减小这种现象的发生，通常采用双绞线来传送驱动信号，以碱小寄生振荡，同时在栅极连串联电阻RG，在G、e极间连接RC阻尼滤波器，以抑制振荡，如图7所示。
值得一提的是，栅极串联电阻RG对IGBT的驱动有较大影响:若RG较小，G、e极之间的充放电时间常数较小，会使导通瞬间电流较大，从而损坏IGBT;若RG较大，虽有利于抑制寄生振荡，但会使脉冲波形的前后沿变缓，增加IGBT的开关时间和开关损耗。
三、IGBT驱动电路
从上面的分析可知:IGBT是MOSFET管与双极晶体管的复合器件，既有MOSFET易驱动的优点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点，其频率特性介于MOSFET管与功率晶体管之间，可正常工作于数十千赫兹的频率范围内。为了让IGBT安全、可靠地工作，其栅极应连接与之匹配的驱动电路。
1.驱动电路的要求简介
(1)合适的栅极驱动电压
栅极正向驱动电压的大小将对电路性能影响重大，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，则导通损耗减小。如果正向驱动电压过大，易造成IGBT损坏;若正向驱动电压过小，易使IGBT退出饱和导通区而进人线性放大区，IGBT易过热损坏。通常，UGe取值为12V~18V ，典型值为15V。
另外，为了防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，在IGBT关断时，可给栅极加上一定的负偏压，以提高IGBT的抗干扰能力，该负压通常取-10V~-5V。
(2)足够的驱动电流
由于IGBT的三极间存在着较大的寄生电容(数千皮法)，在驱动脉冲电压的上升及下降沿期间，存在较大的充放电电流。为了满足其导通和关断的动态要求，则要求其栅极驱动电路要具有-定的峰值电流输出能力，使IGBT在正常工作及过载情况下不致于退出饱和导通区而损坏。
(3)合适的开关频率
虽然IGBT的快速导通与关断有利于提高工作频率，减小开关损耗，但在大电感负载下(如电磁炉、大功率电机等)，IGBT的开关频率不宜过大，因为大电感会在快速导通和关断期间产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件损坏。
2.常见的IGBT驱动电路
(1)推挽式
该类驱动电路的输出级采用互补推挽输出方式，如图8所示。该方式能有效地降低驱动电路的输出阻抗，提高其驱动能力，从而达到加速IGBT的导通与关断的目的。
(2)脉冲变压器式
该方式是利用变压器的工作原理，由次级感应电压直接驱动IGBT，如图9所示。由于变压器具有阻抗变换与隔离作用，所以这种驱动方式不仅简化了驱动电路，还解决了驱动电路的供电与IGBT不共地的连接问题。
四、IGBT保护电路
由于IGBT多工作在高电压、大电流状态，一且损坏(通常表现为三极间击穿)，极易导致前级驱动电路件多元件连帶损坏，因此对IGBT的保护显得尤为重要。目前，普遍使用的IGBT模块，就是将IGBT驱动电路与保护电路合为一体。
1.栅极保护
如果加在IGBT的G、e极间电压超出其额定值，或者驱动电路出现高压尖峰，这时易损坏IGBT，因此在IGBT的栅极应当设置栅压限幅电路，通常采用在G、e极间接上一只稳压二极管 D1(稳压值通常为18V~20V)，或接上两只反向串联的稳压二极管D1、D2，如图10所示，D1、D2的稳压值应分别略高于驱动电路输出的正负栅压。
另外，若IGBT的G极悬空，在其c极与e极之间加上电压，由于G极与c、e极之间寄生电容的存在，使得G极电位升高，c、e极间有电流流过，可能会使IGBT发热甚至损坏。再者，在IGBT关断期间，G极电压易受电路寄生元件的干扰，使IGBT误导通。为防止此类情况发生，应在IGBT的G、e极间接一只数十千欧姆的电阻R，且R应尽量靠近G极与e极安装。
2.过流保护
IGBT因其饱和压降低和工作频率高等优点而成为大功率开关管的首选，但IGBT和晶闸管-样，其抗过载能力不强，因此需给IGBT安装过流保护电路。
过流保护方式有软关断和降栅压两种。软关断是指在过流和短路时，直接关断IGBT。由于这一方式的抗干扰能力差(因为电路一旦检测到过流信号就关断，很容易发生.误动作)，故在实际中很少采用。
在降栅压方式中，通常会设有固定延时电路，是指在检测到IGBT过流时，立即降低栅压， IGBT仍维持导通，但导通电流会被限制在一个较小范围内，避免IGBT过流损坏。-旦降栅压保护启动，若延时后过流故障依然存在，则关断IGBT;若故障消失，则IGBT栅压自动恢复为正常值，这样可大大增强IGBT的抗干扰能力。
图11是采用降栅压方式的过流保护电路。正常工作时，因故障检测二极管VD1的导通，将a点的电压钳位在稳压二极管VZ1的击穿电压以下，三极管VT1截止。当电路发生过流和短路故障时，IGBT的ce极间电压(Uce)上升，a点电压随之上升，升到一定值时，VZ1击穿，VT1导通，b点电压下降，电容C1通过电阻R1充电，当电容两端电压升到约1.4V时，三极管VT2导通，IGBT的G极电压随电容两端电压的_上升而下降。通过调节C1的容量，可控制电容的充电速度，进而控制UGe的下降速度。当电容两端电压上升到稳压二极管VZ2的击穿电压时，VZ2击穿，UGe被钳位在一固定值上，降栅压过程结束。同时，光耦导通，输出过流信号。
如果在延时过程中，故障现象消失了，则a点电压降低，VT1恢复截止，C1通过R2放电，d点电压升高，VT2也恢复截止，UGe上升，电路恢复正常工作状态。
值得一提的是，在IGBT导通时，由于电容C2有一定的延时时间，IGBT管的Uce从高电压降为导通压降，过流保护电路不动作。
在实际应用中，由于过流保护电路与IGBT直接连接，且多为热地供电系统(这部分电路常称为主电路)，而驱动信号形成电路多处于冷地供电系统，这两部分电路常采用高速光耦进行隔离，如图12所示。
正常工作时Q3、Q4均处于截止状态。当驱动信号为高电平时，光耦截业，A点电位为高电平，Q5导通，B点电位为高电平，Q2导通，Q1截止，IGBT的G、e极电压被Q2、R1、D1、D2、D3钳位在+15V，IGBT能够快.速导通。在此期间，由R8、C2组成的延时电路使Q4保持截止状态。虽然C2的两端电压按充电规律上升，但由于IGBT已饱和导通，且导通压降很低，在D9的钳位作用下，C点电位为低电平，所以在IGBT正常导通时，Q3、Q4均处于截止状态。当驱动信号为低电平时，光耦导通，A点电位为低电平，Q5截止;B点电位为低电平，Q2截止，Q1导通，IGBT的G、e极电压经Q1、R1、D1钳位在-5V，可使IGBT快速关断，此时D9反向关断，阻止主电路高压窜人控制回路。在IGBT关断期间，C2两端电压通过R6放电，使C点电平更低，所以在IGBT关断期间，Q3 Q4总处于截止状态。
当发生过流时，IGBT的G、e极间电压升高，此时D9反向关断，于是C点电压随C1充电电压的上升而增加，当过流现象持续约15us时，C点电压使稳压管D6导通，Q3随之导通，经Q3、D4、D1将IGBT的G、e极间电压降至10V左右。若C点电压在10us之内又恢复到低电平，则Q3截止，电路恢复为正常工作状态。若过电流现象持续10us以上，则C点电压继续上升，从而使稳压管D5导通，Q4立即导通，D点电位为低电平，Q1导通，由于C1的放电作用，则IGBT慢速关断。同时，E点电位经由两个与非门组成的RS锁存器锁定在高电平，高速光耦一直处于导通状态。此时，IGBT的G、e极间电压将被锁定为-5V，IGBT处于可靠地关断状态。在过流保护启动后，只有将故障排除，再通过闭合复位开关，才能重新解除过流保护状态。
3.过压保护
在IGBT关断过程中，由于其c极电流下降较快，在电路杂散电感与负载电感的作用下，会在IGBT的c，e极间产生很高的浪涌尖峰电压，尤其是在IGBT工作电压本就很高的电路中，这样极易击穿IGBT。因此，对IGBT进行过压保护也十分必要。
为了避免尖峰电压损坏IGBT，一是要优化主电路结构(采用分层布线、尽量缩短连线等)，减少杂散电感;二是在线路上多加装一些退耦电容，以减少线路电感;三是安装脉冲吸收回路。
吸收回路的作用是吸收电感释放的能量，其电路形式主要分为充放电型和放电阻止型两类。充放电型又分有RC吸收与RCD吸收两种，分别如图13、14所示。RC吸收电路因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，还会造成过冲电压。
RCD电路因用二极管旁路了电阻上的充电电流，从而消除了过冲电压。
电容Ca1、Ca2应选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为2nF左右。虽容量选大一些，有利于浪涌尖峰电压的抑制，但过大会受到放电时间的限制。电阻Ra1、Ra2应选用氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满足放电时间明.显小于主电路开关周期的要求，可按R≤T/6C计算，T为主电路的开关周期。二极管VD1、VD2应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的二极管。
常见的放电阻止型吸收电路如图15~17所示，电容Cs的放电电压为电源电压。在每次IGBT关断时，CS将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗，但这类电路的电压吸收能力不如.上述RCD充放电型。
4.过热保护
由于IGBT是大功率器件，通常工作在大电流状态，自身发热也较快(尤其是RG偏大时)，加之IGBT的结温不能超过125°C，且不宜长期工作在较高温度下，因此要进行过热保护在实际应用中，IGBT的过热保护通常采用强制散热与保护电路相结合的方式。
例如:在电磁炉中，将IGBT安装在一块面积较大的金属片上，并采用风扇对IGBT进行风冷散热，如图18所示;同时，在IGBT表面或其散热器上安装温度传感器，当检测到温度超过设定值时，单片机会发出IGBT关断指令，这时驱动电路停止输出IGBT驱动脉冲，从而达到保护的目的。
五、IGBT在变频家电中的应用
变频家电分交流变频和直流变频两类，前者指采用三相交流感应电机的机种，后者指采用三相直流无刷电机的产品。相比之下，直流无刷电机能效比高，尺寸也较小，但价格却高出很多。目前，我国的变频家电绝大部分是交流变频产品。
主流变频家电的硬件主要由电机、电机控制器以及功率变换模块组成。其中，功率变换模块是电子控制系统中最关键和成本最高的部件，目前大多使用智能功率模块(IPM)。
IPM将IGBT、驱动电路以及保护电路集中在一一个模块中，其输出电流与耐压由IGBT决定。目前，IPM的输出电流可达600A，耐压可达1200V，能够控制数千瓦的电机。IPM的出现，加快了变频家电市场的发展，变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等产品正快速进人千家万户。以变频空调为例，近几年的变频空调全采用了IPM方式，并且主要采用日本三菱IPM方案和三洋IPM方案，其外形如图19所示。
变频压缩机运转的频率由IPM输出的交流电压控制，IPM输出的电压越高，压缩机运转频率及输出功率就越大;反之，压缩机运转频率及输出功率就越低。
提示:IPM一般有P (或+).N(或-)、U、V、W五个连接端点，连线时一定要一一对应，若将某端点的连线接错，上电开机便会导致IPM损坏。“P”或“+”端连接直流电正极，“N”或“一”端连接直流电负极，“U"、“V"、"W”端为压缩机的连接线，需对照外机接线图进行连接。另外，板上还有两个插座，插针数较多的通常是模块的控制信号连线插座，另一个则是模块驱动电源连接插座。
变频空调的IPM的后级电路主要由6只大功率IGBT组成，如图20所示。Q1~Q3为上臂，Q4~Q6为下臂，在驱动电路的作用下，每一个时刻，上臂中的一只IGBT与下臂中的一只IGBT同时导通(Q1、Q4，Q2、Q5，Q3、Q6不能同时导通)，这6只IGBT按照表1的顺序循环通断，从而将输人模块的直流电压(一般为260V~310V )转变为驱动变频压缩机(CM)的三相交流电压(电压值一般低于AC220V)。
当出现过流、过热欠压等现象时，IPM内部保护电路启动，驱动电路停止输出脉冲，会拉低IGBT的栅极电压，使之可靠地关断，并将故障信号送给主板CPU，让CPU启动保护程序，并作出声光报警提示。
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