IGBT详解：工作原理、应用与优势全面解析

IGBT是最高效电子发明之一。其工作原理独特，拥有众多商业应用——如交/直流电机驱动、牵引电机控制、UPS(不间断电源)、逆变器等。但别急，您需要完全理解IGBT如何工作。让我们开始。

IGBT到底是什么？

IGBT代表绝缘栅双极晶体管。它是三端半导体电子器件，提供高效率快速开关能力。

为更好理解IGBT，最好从功能角度了解不同晶体管。

晶体管

晶体管是具有两大功能的微型电子元件：作为开关控制照明电路，以及放大信号。按用途或特定适用性有不同类型。常用晶体管为BJT(双极结型晶体管)、MOSFET、IGBT。BJT和MOSFET各有偏好及优势。BJT偏好低导通压降，MOSFET以高输入阻抗、低开关损耗、无二次击穿著称。IGBT结合BJT和MOSFET优点：取两者之长。

因此IGBT是三端器件，可作开关器件也适用于放大信号，提供高效率快速开关。

IGBT符号

因IGBT结合BJT和MOSFET，其符号遵循相同原则：

IGBT符号

符号有三个端子——集电极、发射极、栅极。输入侧代表MOSFET，输出符号取自BJT符号。导通端子为集电极和发射极，栅极为控制端子。

IGBT结构

三个端子(集电极、发射极、栅极)均连接金属层。但栅极端子金属材料有二氧化硅绝缘层。内部IGBT结构为四层半导体器件。由PNP和NPN晶体管组合形成PNPN排列。

IGBT结构

来源：Components101

最靠近集电极区域的是(p+)衬底——注入区。其上方为N-漂移区，由N-层组成。注入有源区将大部分载流子(空穴电流)从(p+)注入N-层。漂移区厚度决定IGBT耐压能力。漂移区上方为体区，由(p)衬底组成，靠近发射极。体区内有(n+)层。集电极区(或注入区)与N-漂移区结为J2。N-区与体区结为结J1。注意：IGBT结构在“MOS”栅极方面拓扑类似晶闸管。但晶闸管动作可抑制，意味着IGBT整个器件工作范围内仅允许晶体管动作。IGBT优于晶闸管在于快速切换而非等待过零。

IGBT如何工作？

IGBT工作原理通过激活或去激活栅极端子实现开或关。栅极施加正输入电压时，发射极保持驱动电路开启。若IGBT栅极端子为零电压或微负电压，则关断电路应用。因绝缘栅双极器件兼具BJT和MOSFET功能，其放大倍数为输出与控制输入信号比率。传统BJT增益约等于输出电流与输入电流比，称β。MOSFET因栅极隔离主导电流通道无输入电流。IGBT增益由输出电流变化除输入电压变化确定，使其成为跨导器件。

IGBT作为电路的操作

用下图解释，描述IGBT整个器件工作范围。

IGBT作为电路的操作

IGBT仅在栅极端子有电压供应时工作，即栅极电压V_G。图中可见：栅极电压(V_G)存在时，栅极电流(I_G)增加，进而增加栅极-发射极电压(V_GE)。结果栅极-发射极电压增加集电极电流(I_C)，从而降低集电极-发射极电压(V_CE)。注意：IGBT具有类似二极管的压降，典型2数量级，仅随电流对数增加。IGBT用续流二极管导通反向电流。续流二极管置于器件集电极-发射极端子间。内置二极管是IGBT必需的，因无它电力电子器件会导致开关失效。关断感性负载电流若无合适路径会产生高压峰值。

IGBT, Si二极管

来源：Researchgate Publication

IGBT和FWD模块

来源：Researchgate

IGBT关断时，N-区少数载流子流出外部电路。耗尽层扩展(集电极-发射极电压上升)后，少数载流子引起内部电流复合，形成尾部电流。

IGBT类型

作为四层器件，IGBT按(n+)缓冲层有无分类。有(n+)缓冲层为穿通型IGBT(PT-IGBT)；无(n+)缓冲层为非穿通型IGBT(NPT-IGBT)。差异表：

IGBT按特性进一步分类。PT-IGBT和NPT-IGBT器件设计概念可为对称或非对称。对称IGBT正反向击穿电压相等；非对称IGBT正向击穿电压大于反向击穿电压。意味着对称IGBT主要用于交流电路；非对称IGBT用于直流电路，因不需支持反向电压。

IGBT模型

使用IGBT工作原理的电路通常用Saber和SPICE等电路仿真器建模。仿真器可对IGBT(及其他实际器件)建模，提供电气端子电流电压最佳预测。为更精确预测，仿真过程包含热和温度。IGBT器件设计概念最常用建模方法：物理基础模型、宏模型。SPICE仿真器用宏模型法，用达林顿配置组合MOSFET和BJT等各种元件。

IGBT工作原理——电气特性

因IGBT依赖电压工作，器件仅需栅极端子微小电压维持导通。这与双极功率晶体管形成对比，后者需基区持续基极电流维持饱和。同时IGBT是单向器件，仅“正向”(集电极到发射极)切换。与MOSFET双向电流切换相反。实际器件中MOSFET正向可控、反向不可控。注意动态条件下IGBT关断时可能经历锁定电流。当持续导通驱动电流似超临界值时发生锁定电流。栅极-发射极电压低于阈值电压时，器件有微小漏电流流过。此时集电极-发射极电压近似等于供电电压，四层器件IGBT工作在截止区。

电气特性

IGBT工作原理——IGBT应用

IGBT可用于小信号放大器，如MOSFET和BJT。但IGBT取两者之长，具备低导通损耗和高开关速度。IGBT用于大多数现代电子设备：音响系统、列车、VSF、电动汽车、空调等。

IGBT与MOSFET对比

绝缘栅双极晶体管最适合高电压、低开关频率、大电流配置。反之MOSFET最适合低电压、高开关频率、中等电流领域。IGBT因高开关损耗适用于开关频率低于20kHz的实际器件。

IGBT与MOSFET对比

来源：Researchgate

总结

希望您现在理解IGBT是什么及其与MOSFET、BJT的区别。有疑问或顾虑？随时联系我们！