【导读】作为电力电子系统中的核心功率半导体器件，IGBT的性能与可靠性直接决定了系统的运行效率、承载能力和安全稳定性。从其P-N-P-N交替层的基础结构出发，经过结构优化后的IGBT在降低损耗、提升功率密度方面实现了关键突破。本文将围绕IGBT的核心结构特性展开，依次深入探讨损耗计算的核心方法、大功率场景下的并联设计要点，以及保障系统安全运行的可靠性测试体系，为理解IGBT的技术原理与工程应用提供全面且关键的指引。
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?？橹械穆阈酒?。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。
总结
IGBT的技术价值既体现在基础结构优化带来的性能提升上，也离不开精准的损耗计算、科学的并联设计以及全面的可靠性测试作为支撑。从安森美沟槽栅与场截止结构的创新应用，到大功率场景下并联设计的核心考量，再到涵盖高低温、湿度、寿命等多维度的可靠性验证，每一个环节都是保障IGBT在电力电子系统中高效、稳定运行的关键。深入掌握这些核心要点，对于推动大功率电力电子系统的优化设计与可靠应用具有重要意义，也为相关工程实践提供了坚实的技术参考。
