在我们日常的应用中，双极结晶体管BJT和MOS管无疑是使用最广泛和普遍的电子器件。然而，随着应用场景中电流需求的不断提升，这两种器件有时会显得力不从心。这时，IGBT便应运而生，成为了我们的得力助手。IGBT，这一被誉为BJT与MOS管结合之杰作的器件，不仅融合了BJT的输入特性，还兼具MOS管的输出特性。相较于传统的BJT或MOS管，IGBT以其卓越的功率增益、出色的工作电压以及低廉的MOS管输入损耗，成为了高电流应用场景下的理想选择。

IGBT的定义与特性

IGBT，即绝缘栅双极晶体管，是一种三端半导体开关器件，被广泛应用于多种电子设备中，实现高效快速开关功能。它常被用于放大器以及需要脉冲宽度调制（PWM）切换或处理复杂波形的场合。值得一提的是，IGBT作为BJT与MOS管的融合之作，其符号也相应地体现了这一特点。在符号中，输入侧呈现出一个具有栅极端子的MOS管，而输出侧则描绘出具有集电极和发射极的BJT。其中，集电极和发射极作为导通端子，负责电流的通断；而栅极则作为控制开关操作的控制端子，通过控制信号来调节IGBT的工作状态。

IGBT的内部构造

通常，IGBT包含三个端子：集电极、发射极和栅极，这些端子都覆盖有金属层。然而，特别的是，栅极端子上的金属材料被二氧化硅层所覆盖。这种四层半导体器件的结构是通过巧妙地结合PNP和NPN晶体管来形成的，它们共同构成了PNPN的排列方式，如下面所示的示意图。

IGBT工作原理

IGBT的工作原理与我们所熟知的BJT和MOS管有着相似之处。它通过不断地激活和停用栅极端子来控制其开启和关闭。当正电压通过栅极施加时，发射器会保持驱动电路处于开启状态。相反，如果IGBT的栅极电压为零或负，则电路会被关闭。

由于IGBT兼具BJT和MOS管的特点，其放大量，即输出信号与控制输入信号之间的比率，成为了一些高电流应用场景中选用IGBT的重要因素。与传统BJT相比，其增益量与输出电流与输入电流的比率相近，通常被称为Beta，并用β表示。而对于MOS管，由于其栅极端子是主通道承载电流的隔离点，因此没有输入电流。我们通过输出电流的变化除以输入电压的变化来计算IGBT的增益。当集电极与发射极之间存在正电位时，N沟道IGBT将进入导通状态，这要求栅极与发射极之间的电位也足够正（大于VGET）。在此状态下，栅极下方会形成一个反型层，进而产生沟道，使得电流能够从集电极流向发射极。

在IGBT中，集电极电流Ic（Ic=Ie+Ih）由两部分组成：Ie是注入的电子通过注入层、漂移层并沿沟道流向发射极的电流；而Ih则是通过Q和体电阻Rb从集电极流向发射极的空穴电流，通常可以忽略不计，因此Ic≈Ie。

值得注意的是，IGBT存在一种称为闩锁的特殊现象。当集电极电流超过特定阈值ICE时，寄生晶闸管将被触发并进入锁定状态，此时栅极对集电极电流的控制将失效。即使栅极电位降低至VGET以下，IGBT也无法正常关闭。这种情况下，需要借助换流电路来强制关断IGBT。

接下来，我们将通过图示详细解释IGBT的工作原理，并描绘出IGBT整个器件的工作范围。IGBT的工作原理依赖于栅极电压VG。一旦施加VG，栅极电流IG随之增加，进而导致栅极-发射极电压VGE的上升。这种电压的增加会引发集电极电流IC的增大，同时降低集电极到发射极的电压VCE。值得注意的是，IGBT展现出类似二极管的电压降特性，通常在2V量级，且随着电流的对数增加而略有变化。为了应对反向电流，IGBT配备了续流二极管，该二极管连接在IGBT的集电极-发射极端子上。

接下来，我们将深入探讨IGBT的优缺点。其优点包括出色的电压和电流处理能力、高输入阻抗、以及简单的栅极驱动电路等。此外，IGBT还具有高效的开关特性，可以通过施加正电压轻松开启，施加零电压或负电压则可迅速关闭。然而，它也存在一些不足，如开关速度略低于MOS管、单向性限制了AC波形的处理、无法阻挡高反向电压等。同时，其价格相较于BJT和MOS管略高，且存在与晶闸管相似的锁存问题。

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