IGBT工作原理——你需要知道的一切

IGBT 是最有效的电子发明之一。 IGBT 工作原理独特，具有众多商业​​应用——如 AC/DC 电机驱动、牵引电机控制、UPS（非稳压电源）、逆变器等。

但是，我们不要超越自己。您需要了解 IGBT 如何充分发挥作用。所以我们开始吧。

究竟什么是IGBT？

IGBT代表绝缘栅双极晶体管。它是一种 3 端子半导体电子器件，可提供高效率的快速开关能力。

为了更好地了解 IGBT，最好从功能方面了解不同的晶体管。

晶体管

晶体管是具有两个主要功能的小型电子元件。它作为一个开关来控制照明电路，可以放大信号。

基于其他用途或特定适用性，存在不同类型的晶体管。常用的晶体管有BJT（Bipolar Junction Transistor）、MOSFET、IGBT。

BJT 和 MOSFET 都有各自的偏好和优势。虽然 BJT 更喜欢低导通状态压降，但 MOSFET 最适合它们的高 I/P 阻抗、低开关损耗和无二次击穿。

IGBT结合了BJT和MOSFET，充分利用了这两种晶体管的优点。

因此，IGBT是一种三端器件，用作开关器件，适用于放大信号。 IGBT 以高效率提供快速开关。

IGBT 符号

由于 IGBT 结合了 BJT 和 MOSFET，其符号遵循以下相同原则。

IGBT 符号

该符号还具有三个终端——收集器、发射器和门。输入端代表 MOSFET，而输出符号取自 BJT 的符号。

正如预期的那样，传导终端是集电极和发射极。 Gate是控制终端。

IGBT的结构

IGBT 的所有三个端子（集电极、发射极和栅极）都附有金属层。但是，Gate 端的金属材料具有二氧化硅层的绝缘性。

在内部，IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件由PNP和NPN晶体管组合而成，构成PNPN排列。

IGBT的结构

来源：Components101

最靠近集电极区的层是 (p+) 衬底，即注入区。对，在它上面是 N 漂移区域，它包括 N 层。

Injection Active Region将大部分载流子（空穴电流）从(p+)层注入到N-层中。

Drift Region的厚度决定了IGBT的电压阻断能力。

漂移区域之上是主体区域，它由 (p) 基板组成。它靠近发射器。在 Body Region 内部，有 (n+) 层。

请注意，收集器区域（或注入区域）和 N 漂移区域之间的连接点是 J2。同理，N-Region 和 Body Region 的交界处是 junction J1。

注意：就“MOS”栅极而言，IGBT 的结构在拓扑上类似于晶闸管。但是，晶闸管动作和功能是可抑制的，这意味着在 IGBT 的整个器件工作范围内只允许晶体管动作。

IGBT 比晶闸管更可取，因为晶闸管等待过零的快速切换。

IGBT 的工作原理是什么？

IGBT的工作原理是通过激活或关闭其Gate端来开启或关闭。

如果正输入电压通过栅极，发射器保持驱动电路开启。另一方面，如果 IGBT 的栅极端为零电压或略为负，则会关闭电路应用。

由于绝缘栅双极型器件既可用作 BJT 又可用作 MOSFET，因此其实现的放大量是其输出信号与控制输入信号之比。

对于传统的 BJT，增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同。我们将其称为 Beta 并表示为 β。

另一方面，对于 MOSFET，没有输入电流，因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。这使得 IGBT 成为跨导器件。

IGBT 作为电路的工作

让我们使用下图来解释这一点，该图描述了 IGBT 的整个器件工作范围。

IGBT 作为电路的操作

IGBT 仅在栅极端子上有电压供应时工作。它是栅极电压，即 VG .

如图所示，一旦存在栅极电压 (V G )，栅极电流 (I G ) 增加。然后它会增加栅极-发射极电压 (V 通用电气 )。

因此，栅极-发射极电压会增加集电极电流 (I C ）。因此，集电极电流 (I C ) 降低集电极到发射极电压 (V CE ）。

注意：IGBT 具有类似于二极管的电压降，典型值为 2V，仅随电流的对数增加。

IGBT 使用续流二极管传导反向电流。续流二极管放置在器件的集电极-发射极端子上。

IGBT、硅二极管

来源：Researchgate 出版

内置二极管是 IGBT 的一项要求，因为没有它，电力电子设备可能会使电源开关失效。自关闭以来，只要没有合适的路径，感性负载电流就会产生高电压峰值。

IGBT 和 FWD 模块

来源：Researchgate

每当绝缘栅双极晶体管关闭时，来自 N 区的少数载流子就会流出到外部电路。在耗尽层扩展后（集电极-发射极电压上升），少数载流子引起电流的内部重组，即尾电流。

IGBT的种类

作为四层器件，IGBT 可根据 (n+) 缓冲层的存在进行分类。带有（n+）缓冲层的绝缘栅双极晶体管是穿通IGBT（或简称为PT-IGBT）。

同样，没有 (n+) 缓冲层的 IGBT 是非穿通 IGBT（或简称为 NPT-IGBT）。这是他们的差异的表格。

绝缘栅双极晶体管可根据其特性进一步分类。 PT-IGBT 和 NPT-IGBT 的器件设计理念可以是对称的，也可以是非对称的。

对称 IGBT 具有相等的正向和反向击穿电压。同时，非对称绝缘栅双极晶体管的正向击穿电压大于反向击穿电压。

这意味着对称IGBT主要适用于交流电路。另一方面，非对称IGBT适用于直流电路，这是因为它们不需要任何支持的反向电压。

IGBT 型号

采用 IGBT 工作原理的电路通常使用 Sabre 和 SPICE 等电路仿真器进行特征建模。

模拟器可以对 IGBT（和其他实际设备）进行建模，以提供有关电气端子上的电流和电压的最佳预测。

为了更精确的预测，模拟过程中包含热量和温度。 IGBT器件设计理念最常见的建模方法有：

• 基于物理的模型
• 宏模型

SPICE 模拟器使用 MacroModel 方法，该方法使用 Darlington 配置组合了各种组件，例如 MOSFET 和 BJT。

IGBT工作原理—— 电气特性

由于 IGBT 依赖电压来工作，因此这些器件只需要在 Gate 端子上提供少量电压即可维持导通。

电气特性

与双极功率晶体管相反，双极功率晶体管需要在基区有连续的基极电流流过才能保持饱和。

同时，IGBT是一个单向器件，这意味着它只能在“正向”（从集电极到发射极）开关。

它与具有双向电流切换过程的 MOSFET 正好相反。在实际器件中，MOSFET正向可控，反向电压不受控制。

请注意，在动态条件下，当器件关闭时，IGBT 可能会经历闩锁电流。当连续导通状态驱动电流似乎超过临界值时，这就是闩锁电流。

此外，当栅极-发射极电压低于阈值电压时，会有少量漏电流流过器件。此时，集电极-发射极电压几乎等于电源电压。因此，四层器件 IGBT 工作在截止区。

IGBT工作原理——IGBT的应用

IGBT 可用于小信号放大器，就像 MOSFET 和 BJT 一样。然而，IGBT 充分利用了两者，因此具有低导通损耗和高开关速度的特点。

IGBT 应用在大多数现代电子设备中，如音响系统、火车、VSF、电动汽车、空调等。

IGBT 与 MOSFET

绝缘栅双极晶体管最适合高电压、低开关频率、高电流配置。相反，MOSFET 最适用于低压、高开关频率和中等电流域。

IGBT 与 MOSFET

来源：Researchgate

由于其高开关损耗，IGBT 可用于开关频率低于 20 kHz 的实际设备。

总结

我们希望您现在了解 IGBT 是什么以及它们与 MOSFET 和 BJT 有何不同。您对 IGBT 有疑问或疑虑吗？欢迎与我们联系！