在實際應用中最流行和最常見的電子元器件是雙極結型晶體管 BJT 和 MOS管。

IGBT實物圖+電路符號圖

你可以把 IGBT 看作 BJT 和 MOS 管的融合體(ti) ，IGBT具有 BJT 的輸入特性和 MOS 管的輸出特性。

與(yu) BJT 或 MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體(ti) 管 IGBT 的優(you) 勢在於(yu) 它提供了比標準雙極型晶體(ti) 管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的 MOS 管輸入損耗。

一、什麽是IGBT？

IGBT 是絕緣柵雙極晶體管的簡稱，是一種三端半導體開關器件，可用於多種電子設備中的高效快速開關。

IGBT 主要用於放大器，用於通過脈衝寬度調製 (PWM) 切換/處理複雜的波形。

你可以看到輸入側代表具有柵極端子的 MOS管，輸出側代表具有集電極和發射極的 BJT。

集電極和發射極是導通端子，柵極是控製開關操作的控製端子。

IGBT的電路符號與(yu) 等效電路圖

二、IGBT內部結構

IGBT 有三個端子（集電極、發射極和柵極）都附有金屬層。然而，柵極端子上的金屬材料具有二氧化矽層。

IGBT結構是一個四層半導體器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實現的，它們構成了 PNPN 排列。

IGBT的內(nei) 部結構圖

如上圖所示，最靠近集電極區的層是 (p+) 襯底，即注入區；在它上麵是 N 漂移區域，包括 N 層。注入區將大部分載流子（空穴電流）從(cong) (p+) 注入 N- 層。

漂移區的厚度決(jue) 定了 IGBT 的電壓阻斷能力。

漂移區域的上麵是主體(ti) 區域，它由 (p) 基板組成，靠近發射極，在主體(ti) 區域內(nei) 部，有 (n+) 層。

注入區域和 N 漂移區域之間的連接點是 J2。類似地，N-區域 和 主體(ti) 區域之間的結點是結點 J1。

注意：IGBT 的結構在拓撲上類似於(yu) “MOS”柵極的晶閘管。但是，晶閘管動作和功能是可抑製的，這意味著在 IGBT 的整個(ge) 器件工作範圍內(nei) 隻允許晶體(ti) 管動作。

IGBT 比晶閘管更可取，因為(wei) 晶閘管等待過零的快速切換。

三、IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關閉。

如果正輸入電壓通過柵極，發射極保持驅動電路開啟。另一方麵，如果 IGBT 的柵極端電壓為(wei) 零或略為(wei) 負，則會(hui) 關(guan) 閉電路應用。

由於(yu)  IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現的放大量是其輸出信號和控製輸入信號之間的比率。

對於(yu) 傳(chuan) 統的 BJT，增益量與(yu) 輸出電流與(yu) 輸入電流的比率大致相同，我們(men) 將其稱為(wei) Beta 並表示為(wei) β。

另一方麵，對於(yu) MOS管，沒有輸入電流，因為(wei) 柵極端子是主通道承載電流的隔離。我們(men) 通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

IGBT 結構圖

如下圖所示，當集電極相對於(yu) 發射極處於(yu) 正電位時，N 溝道 IGBT 導通，而柵極相對於(yu) 發射極也處於(yu) 足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導致在柵極正下方形成反型層，從(cong) 而形成溝道，並且電流開始從(cong) 集電極流向發射極。

IGBT 中的集電極電流 Ic 由兩(liang) 個(ge) 分量 Ie和 Ih 組成。Ie 是由於(yu) 注入的電子通過注入層、漂移層和最終形成的溝道從(cong) 集電極流向發射極的電流。Ih 是通過 Q1 和體(ti) 電阻 Rb從(cong) 集電極流向發射極的空穴電流。因此

盡管 Ih幾乎可以忽略不計，因此 Ic ≈ Ie。

在 IGBT 中觀察到一種特殊現象，稱為(wei) IGBT 的閂鎖。這發生在集電極電流超過某個(ge) 閾值（ICE）。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對集電極電流的控製，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關(guan) 閉。

現在要關(guan) 斷 IGBT，我們(men) 需要典型的換流電路，例如晶閘管強製換流的情況。如果不盡快關(guan) 閉設備，可能會(hui) 損壞設備。

集電極電流公式

下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個(ge) 器件工作範圍。

IGBT的工作原理圖

IGBT 僅(jin) 在柵極端子上有電壓供應時工作，它是柵極電壓，即 VG。

如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會(hui) 增加，然後它會(hui) 增加柵極-發射極電壓 ( VGE )。

因此，柵極-發射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發射極電壓 ( VCE )。

注意：IGBT 具有類似於(yu) 二極管的電壓降，通常為(wei) 2V 量級，僅(jin) 隨著電流的對數增加。

IGBT 使用續流二極管傳(chuan) 導反向電流，續流二極管放置在 IGBT 的集電極-發射極端子上。

四、IGBT的等效電路

IGBT的近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管(Q1 )組成,考慮到 n- 漂移區提供的電阻，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示：

IGBT 的近似等效電路

仔細檢查 IGBT 的基本結構，可以得出這個(ge) 等效電路，基本結構如下圖所示。

等效電路圖的基本結構

穿通 IGBT、PT-IGBT：穿通 IGBT、PT-IGBT 在發射極接觸處具有 N+ 區。

觀察上麵顯示 IGBT 的基本結構，可以看到到從(cong) 集電極到發射極存在另一條路徑，這條路徑是集電極、p+、n- 、 p（n 通道）、n+ 和發射極。

因此，在 IGBT 結構中存在另一個(ge) 晶體(ti) 管 Q2作為(wei) n – pn+，因此，我們(men) 需要在近似等效電路中加入這個(ge) 晶體(ti) 管 Q2以獲得精確的等效電路。

IGBT 的精確等效電路如下所示：

IGBT的精確等效電路圖

該電路中的 Rby 是 p 區對空穴電流的流動提供的電阻。

眾(zhong) 所周知，IGBT是 MOS 管的輸入和 BJT 的輸出的組合，它具有與(yu) N溝道MOS管和達林頓配置的PNP BJT等效的結構，因此也可以加入漂移區的電阻。

五、IGBT 的特性--靜態 VI 特性

下圖顯示了 n 溝道 IGBT 的靜態 VI 特性以及標有參數的電路圖，該圖與 BJT 的圖相似，隻是圖中保持恒定的參數是 VGE，因為 IGBT 是電壓控製器件，而 BJT 是電流控製器件。

IGBT的靜態特性圖

當 IGBT 處於(yu) 關(guan) 閉模式時（VCE為(wei) 正且 VGE < VGET），反向電壓被 J 2 阻斷，當它被反向偏置時，即 VCE為(wei) 負，J 1 阻斷電壓。

六、IGBT 的特性--開關特性

IGBT 是電壓控製器件，因此它隻需要一個很小的電壓到柵極即可保持導通狀態。

由於是單向器件， IGBT 隻能在從集電極到發射極的正向切換電流。IGBT的典型開關電路如下所示，柵極電壓 VG施加到柵極引腳以從電源電壓 V+ 切換電機 (M)。電阻 Rs 大致用於限製通過電機的電流。

IGBT的典型開關(guan) 電路圖

下圖顯示了IGBT 的典型開關(guan) 特性。

IGBT 的典型開關(guan) 特性

導通時間（ t on）：通常由延遲時間 (t dn ) 和上升時間 (t r ) 兩(liang) 部分組成。

延遲時間 （t dn )：定義(yi) 為(wei) 集電極電流從(cong) 漏電流 ICE上升到 0.1 IC（最終集電極電流）和集電極發射極電壓從(cong) VCE下降到 0.9VCE的時間。

上升時間 （t r )：定義(yi) 為(wei) 集電極電流從(cong) 0.1 IC上升到 IC以及集電極-發射極電壓從(cong) 0.9V CE下降到 0.1 VCE的時間。

關(guan) 斷時間（ t off）:由三個(ge) 部分組成，延遲時間 (t df )、初始下降時間 (t f1 ) 和最終下降時間 (t f2 )。

延遲時間 （t df )：定義(yi) 為(wei) 集電極電流從(cong) I C下降到 0.9 I C並且 V CE開始上升的時間。

初始下降時間 （t f1 )：集電極電流從(cong) 0.9 I C下降到 0.2 I C並且集電極發射極電壓上升到 0.1 V CE的時間。

最終下降時間 （t f2 )：定義(yi) 為(wei) 集電極電流從(cong) 0.2 I C下降到 0.1 I C並且 0.1V CE上升到最終值 V CE的時間。

關(guan) 斷時間公式

導通時間公式

七、IGBT 的特性--輸入特性

下圖可以理解IGBT的輸入特性。開始，當沒有電壓施加到柵極引腳時，IGBT 處於關閉狀態，沒有電流流過集電極引腳。

當施加到柵極引腳的電壓超過閾值電壓時，IGBT 開始導通，集電極電流 I G開始在集電極和發射極端子之間流動。集電極電流相對於(yu) 柵極電壓增加，如下圖所示。

IGBT的輸入特性圖

八、IGBT 的特性--輸出特性

由於 IGBT 的工作依賴於電壓，因此隻需要在柵極端子上提供極少量的電壓即可保持導通。

IGBT 與雙極功率晶體管相反，雙極功率晶體管需要在基極區域有連續的基極電流流動以保持飽和。IGBT 是單向器件，這意味著它隻能在“正向”（從集電極到發射極）開關。

IGBT 與具有雙向電流切換過程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向電壓不受控製。

在動態條件下，當 IGBT 關閉時， 可能會經曆閂鎖電流，當連續導通狀態驅動電流似乎超過臨界值時，這就是閂鎖電流。

此外，當柵極-發射極電壓低於閾值電壓時，會有少量漏電流流過 IGBT ，此時，集電極-發射極電壓幾乎等於電源電壓，因此，四層器件 IGBT 工作在截止區。

IGBT 的輸出特性圖

IGBT 的輸出特性分為(wei) 三個(ge) 階段：

第一階段：當柵極電壓 VGE 為(wei) 零時，IGBT 處於(yu) 關(guan) 斷狀態，這稱為(wei) 截止區。

第二階段：當 VGE 增加時，如果它小於(yu) 閾值電壓，那麽(me) 會(hui) 有很小的漏電流流過 IGBT ，但I GBT 仍然處於(yu) 截止區。

第三階段：當 VGE增加到超過閾值電壓時，IGBT 進入有源區，電流開始流過 IGBT 。如上圖所示，電流將隨著電壓 VGE的增加而增加。

九、IGBT 的優缺點

IGBT作為一個整體兼有BJT和MOS管的優點。

1、優點

• 具有更高的電壓和電流處理能力。

• 具有非常高的輸入阻抗。

• 可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

• 電壓控製裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

• 柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求

• 通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或負電壓可以很容易地關(guan) 閉它。

• 具有非常低的導通電阻。

• 具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

• 具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。

• 具有比 BJT 更高的開關(guan) 速度。

• 可以使用低控製電壓切換高電流電平。

• 由於(yu) 雙極性質，增強了傳(chuan) 導性。

• 更安全

2、缺點

• 開關(guan) 速度低於(yu) MOS管。

• 單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

• 不能阻擋更高的反向電壓。

• 比 BJT 和 MOS管 更昂貴。

• 類似於(yu) 晶閘管的 PNPN 結構，它存在鎖存問題。

• 與(yu) PMOS 管 相比，關(guan) 斷時間長。

• 類似於(yu) 晶閘管的 PNPN 結構，它存在鎖存問題。

• 與(yu) PMOS 管 相比，關(guan) 斷時間長。