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绝缘栅双极晶体管 (IGBT):融合 FET 精度与 BJT 功率

绝缘栅场效应晶体管(IGFET)因栅极与沟道隔离而实现近乎无限电流增益。无连续栅极电流;仅需短暂瞬态为栅沟电容充电,在开关切换间移动耗尽区。

乍看这高增益似给 IGFET 在控制大电流时相对双极结型晶体管 (BJT) 明显优势。BJT 中集电极电流受晶体管 β(电流增益)因子约束。例如,β=20 的功率 BJT 驱动 100 A 集电极电流需至少 5 A 基极电流——即使微型分立或集成电路也是巨大控制电流。

带控制电路的晶体管

绝缘栅双极晶体管 (IGBT):融合 FET 精度与 BJT 功率

达林顿对可提升增益,但所需基极电流仍高于等效 IGFET。额外复杂性和电流消耗使此方案对高功率应用吸引力降低。

达林顿对示例

绝缘栅双极晶体管 (IGBT):融合 FET 精度与 BJT 功率

IGFET 完全饱和时漏源压降大于 BJT 集电极-发射极压降。额外压降转化为相同负载电流下更高功率耗散,限制 IGFET 作高功率器件实用性。虽 VMOS 等专用结构被设计减少此劣势,BJT 在极大电流开关时仍领先。

绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 应运而生。也称双极模式 MOSFET、电导调制场效应晶体管 (COMFET) 或简称绝缘栅晶体管 (IGT),IGBT 本质上融合 IGFET 高增益栅控制逻辑与 BJT 低压降大电流处理能力。

原理图符号与等效电路

绝缘栅双极晶体管 (IGBT):融合 FET 精度与 BJT 功率

此架构中 IGFET 驱动 BJT 基极。栅极从控制电路几乎不汲取电流,而 BJT 在集电极和发射极间提供主负载电流。结果是极高总电流增益配合匹配常规 BJT 的集电极-发射极压降。

然而 IGBT 非无权衡。关断时间典型慢于标准 BJT,对快速开关应用可能关键。实现更快关断常以更高集电极-发射极饱和压降为代价。尽管如此,对许多高功率控制任务,IGBT 低压降与高电流增益的结合提供比 IGFET 和 BJT 都引人注目的替代方案。

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