本期介紹：本期ROHM君想與大家一同學(xué)習(xí)絕緣柵雙極晶體管——IGBT，認(rèn)識(shí)其原理及其應(yīng)用。IGBT是一種功率開(kāi)關(guān)晶體管，它結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，用于電源和電機(jī)控制電路

該絕緣柵雙極晶體管也稱為IGBT的簡(jiǎn)稱，是常規(guī)的雜交的一些雙極結(jié)晶體管，（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）使其成為一種理想的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。

IGBT晶體管充分利用了這兩種普通晶體管的優(yōu)點(diǎn)，高輸入阻抗和高開(kāi)關(guān)速度的MOSFET與低飽和電壓的雙極晶體管，并且將它們組合在一起以產(chǎn)生另一種類型的晶體管開(kāi)關(guān)器件，其被能夠處理大的集電極 - 發(fā)射極電流，幾乎沒(méi)有柵極電流驅(qū)動(dòng)。

典型的IGBT

該絕緣柵雙極晶體管（IGBT）結(jié)合了絕緣柵（因此它的名字的第一部分）技術(shù)與常規(guī)的雙極型晶體管的輸出性能特性的MOSFET的，（因此它的名字的第二部分）。

這種混合組合的結(jié)果是“IGBT晶體管”具有雙極晶體管的輸出開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通特性，但是像MOSFET一樣受電壓控制。

IGBT主要用于電力電子應(yīng)用，如逆變器，轉(zhuǎn)換器和電源，如果功率雙極和功率MOSFET不能完全滿足固態(tài)開(kāi)關(guān)器件的要求。可提供高電流和高壓雙極晶體管，但其開(kāi)關(guān)速度較慢，而功率MOSFET可能具有更高的開(kāi)關(guān)速度，但高壓和高電流器件昂貴且難以實(shí)現(xiàn)。

絕緣柵雙極晶體管器件在BJT或MOSFET上獲得的優(yōu)勢(shì)在于它提供了比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更高的功率增益，以及更高的電壓工作和更低的MOSFET輸入損耗。實(shí)際上，它是與達(dá)林頓型配置形式的雙極晶體管集成的FET。

絕緣柵雙極晶體管

我們可以看到，絕緣柵雙極晶體管是一種三端跨導(dǎo)器件，它將絕緣柵極N溝道MOSFET輸入與PNP雙極晶體管輸出相結(jié)合，以一種達(dá)林頓配置連接。

因此，端子標(biāo)記為：集電極，發(fā)射極和柵極。其兩個(gè)端子（CE）與通過(guò)電流的電導(dǎo)路徑相關(guān)聯(lián)，而其第三端子（G）控制該裝置。

絕緣柵雙極晶體管實(shí)現(xiàn)的放大量是其輸出信號(hào)與其輸入信號(hào)之間的比率。對(duì)于傳統(tǒng)的雙極結(jié)型晶體管（BJT），增益量近似等于輸出電流與輸入電流之比，稱為Beta。

對(duì)于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或MOSFET，由于柵極與主載流通道隔離，因此沒(méi)有輸入電流。因此，F(xiàn)ET的增益等于輸出電流變化與輸入電壓變化之比，使其成為跨導(dǎo)器件，IGBT也是如此。然后我們可以將IGBT視為功率BJT，其基極電流由MOSFET提供。

該絕緣柵雙極晶體管可以在小信號(hào)放大器電路在幾乎相同的方式為BJT或MOSFET型晶體管一起使用。但由于IGBT將BJT的低導(dǎo)通損耗與功率MOSFET的高開(kāi)關(guān)速度相結(jié)合，因此存在最佳的固態(tài)開(kāi)關(guān)，非常適用于電力電子應(yīng)用。

此外，IGBT具有比等效MOSFET 低得多的“導(dǎo)通”電阻R ON。這意味著對(duì)于給定的開(kāi)關(guān)電流，雙極輸出結(jié)構(gòu)上的I 2 R下降要低得多。IGBT晶體管的正向阻斷操作與功率MOSFET相同。

當(dāng)用作靜態(tài)控制開(kāi)關(guān)時(shí)，絕緣柵雙極晶體管的電壓和電流額定值類似于雙極晶體管。然而，IGBT中隔離柵極的存在使其比BJT更容易驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樾枰俚尿?qū)動(dòng)功率。

通過(guò)激活和去激活其柵極端子，絕緣柵極雙極晶體管簡(jiǎn)單地“接通”或“斷開(kāi)”。在柵極和發(fā)射極之間施加正輸入電壓信號(hào)將使器件保持在“導(dǎo)通”狀態(tài)，同時(shí)使輸入柵極信號(hào)為零或稍微為負(fù)將導(dǎo)致其以與雙極晶體管大致相同的方式“關(guān)閉”。或eMOSFET。IGBT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它具有比標(biāo)準(zhǔn)MOSFET低得多的通態(tài)電阻。

IGBT特性

由于IGBT是一個(gè)電壓控制器件，它只需要柵極上的一個(gè)小電壓來(lái)維持器件的導(dǎo)通，這與BJT不同，BJT要求以足夠的電量連續(xù)供應(yīng)基極電流以保持飽和。

此外，IGBT是單向器件，這意味著它只能在“正向”切換電流，即從集電極到發(fā)射極，不像MOSFET具有雙向電流切換功能（正向控制，反向不受控制） 。

絕緣柵雙極晶體管的工作原理和柵極驅(qū)動(dòng)電路與N溝道功率MOSFET非常相似。基本的區(qū)別在于，當(dāng)電流在“ON”狀態(tài)下流過(guò)器件時(shí)，主導(dǎo)電溝道提供的電阻在IGBT中非常小。因此，與等效功率MOSFET相比，額定電流要高得多。

與其他類型的晶體管器件相比，使用絕緣柵雙極晶體管的主要優(yōu)點(diǎn)是其高電壓能力，低導(dǎo)通電阻，易于驅(qū)動(dòng)，相對(duì)快速的開(kāi)關(guān)速度以及零柵極驅(qū)動(dòng)電流使其成為適中速度的理想選擇高壓應(yīng)用，如脈沖寬度調(diào)制（PWM），變速控制，開(kāi)關(guān)模式電源或太陽(yáng)能直流 - 交流逆變器以及工作在數(shù)百千赫茲范圍內(nèi)的變頻器應(yīng)用。

BJT，MOSFET和IGBT之間的一般比較如下表所示。

IGBT比較表

我們已經(jīng)看到絕緣柵雙極晶體管是具有雙極結(jié)型晶體管BJT的輸出特性的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，但是像場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET那樣被控制。

IGBT晶體管的主要優(yōu)點(diǎn)之一是通過(guò)施加正柵極電壓可以將其驅(qū)動(dòng)為“導(dǎo)通”的簡(jiǎn)單性，或者通過(guò)使柵極信號(hào)為零或略微為負(fù)而允許其在各種中使用而切換為“關(guān)閉”。切換應(yīng)用程序。它也可以在其線性有源區(qū)域中驅(qū)動(dòng)，以用于功率放大器。

由于其較低的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通損耗以及在高頻下切換高壓而不會(huì)損壞的能力，絕緣柵雙極晶體管非常適合驅(qū)動(dòng)線圈繞組，電磁鐵和直流電機(jī)等感性負(fù)載。

審核編輯黃昊宇