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IGBT，全称绝缘栅双极型晶体管，巧妙地将三极管与MOS管的特点融为一体。这种全控型电压驱动式功率半导体器件，不仅继承了MOSFET的高输入阻抗特性，还融合了三极管低导通压降的优点。简而言之，IGBT如同一个高效的开关，在线性工作时，其功能类似于导线，而在断开时则相当于断路器。
相较于传统的开关，IGBT展现出了显著的优势。它能够以小电压控制大电压、大电流的通断，且导通电阻极低，开关频率高，控制简单便捷。那么，IGBT的提出背后又有着怎样的故事呢？
在三极管作为开关的时代，其导通电流通常仅限于mA级别，难以满足更大电流的需求。这是因为随着导通电流的增大，基极电流也需相应增加，从而导致驱动功率的上升。尽管三极管在导通时CE间的电阻较小，功耗因此较低，但这一限制仍然影响了其应用范围。
相比之下，MOS管以其高输入阻抗和低栅极电流的特点在驱动功率方面表现出色。然而，当功率需求较高时，其导通电阻又会增大，导致导通损耗不容忽视。
于是，科学家们提出了一个创新的设想：能否将三极管与MOS管的优点结合起来，设计出一种新型器件？基于这一设想，IGBT应运而生，它不仅克服了传统开关的局限，更在功率处理能力上迈出了重要的一步。
IGBT的基本结构和导通原理IGBT的电路符号描绘了其关键组成部分：栅极G、集电极C和发射极E。栅极作为控制开关的核心端子，其电压状态决定着集电极与发射极之间的导通与关断。当栅极G承受高电压时，这两端子间形成通路；而施加低电压时，则阻断电流。这种精细的控制方式，使得IGBT在功率处理上展现出卓越的性能。IGBT的结构示意图如下：
接下来，我们将简要阐述IGBT的导通过程。当栅极G施加高电压时，在栅极电场的作用下，P型半导体中的少数载流子——自由电子会聚集在二氧化硅绝缘层下方，从而形成反型层。这一反型层的出现，在二氧化硅绝缘层下方构建出一个导电沟道，进而连接了N型半导体与中间的N-漂移层。若将N-漂移层直接与漏极相连，便构成了MOS管。而IGBT的结构则在MOS管的基础上增添了一个P+衬底，形成了四层结构。这里，P+意味着P型半导体的掺杂浓度很高，即多数载流子——空穴的浓度较高。
进一步分析，当栅极G施加的电压超过阈值时，自由电子便会从发射极E出发，经过小方块N型半导体，穿过反型层，最终抵达N-漂移层。此外，IGBT的导通还需要N-漂移层与P+衬底之间的PN结导通，这要求集电极C施加的正电压必须大于JPN结的导通电压。
此外，了解IGBT的等效电路图也是必不可少的。从IGBT的构造中，我们可以观察到它包含了一个上部的MOSFET，左侧还配置了一个PNP三极管以及一个NPN三极管的结构。当栅极施加的正电压超过阈值时，N-漂移层中产生的电流将类似于左侧PNP三极管的基极电流。一旦基极电流达到特定阈值，PNP三极管便会开始导通，从而形成从集电极到发射极的导电通路。
在IGBT导通过程中，会出现一种称为拖尾电流的现象。这是因为电子从N-漂移区流向背面的P+集电极，而P+集电极则向上发射空穴。这些电子和空穴共同构成了IGBT的电流。然而，在关断时，电子会迅速从沟道中移除，而剩余的空穴则需要较长时间进行复合消失，这就产生了拖尾电流。
此外，IGBT结构中还存在着一种潜在的闩锁效应。具体来说，其内部的PNP三极管与NPN三极管共同构成了一个晶闸管。在NPN三极管的基极和发射极之间存在一个寄生电阻Rs。当P型半导体的横向空穴电流在Rs上产生压降时，这会对NPN三极管产生一个正向偏置电压。在集电极电流处于规定范围内时，这个偏置电压相对较小，不会导致NPN三极管导通。但若集电极电流过大，偏置电压将增大，可能使NPN三极管及晶闸管导通，此时栅极将失去对开关的控制作用，形成自锁导通状态，这就是所谓的静态闩锁效应。除此之外，IGBT在高速关断时，由于其电流下降迅速（即di/dt值很大），导致dv/dt也相应增大，从而引发显著的位移电流。这一位移电流流经Rs时，会产生足以使NPN三极管导通的正向偏置电压，进而触发晶闸管的自锁导通，形成所谓的动态闩锁效应。
接下来，我们探讨IGBT的应用领域。新能源汽车在新能源汽车领域，IGBT发挥着至关重要的作用。以特斯拉Model3为例，尽管动力电池的成本最高，但IGBT的成本也相当可观。这款车使用节电池提供高达V的直流电源，但驱动电机却需要交流电。通过IGBT的巧妙运用，特斯拉能够灵活改变驱动电机交流电的频率，从而精准控制电机的转速和车辆的速度与加速度。正是得益于IGBT的高效性能，电动汽车才能实现3秒内从静止加速到00公里/小时的惊人起步速度。
2充电桩充电桩是电动汽车充电不可或缺的设备。其电源来自电网的V交流电，但电动汽车电池需要直流电进行充电。IGBT在此扮演着将交流电转换为直流电的关键角色。
3高铁、地铁在现代轨道交通中，交流传动技术占据核心地位。牵引变流器是交流传动系统中的关键部件，而IGBT则是该变流器不可或缺的组成部分。
此外，IGBT的应用还延伸至光伏逆变器、风电变流器以及工业控制等多个领域。从上述图表中可以观察到，IGBT的开关频率位于双极型晶体管（BJT）与MOS管之间，其功率则超越了MOS管。因此，在低功率且高开关频率的情境下，通常优选MOS管；而当面临大功率及高开关频率的双重需求时，IGBT则成为更合适的选择。然而，随着对更高开关频率和更大功率器件的追求，硅基半导体因材料极限而难以满足这些要求。此时，具备更宽禁带宽度的半导体材料，例如SiC和GaN，便脱颖而出，成为实现这一目标的理想选择。
