目前，种类繁多的功率半导体器件已经成为人们日常生活的一个重要组成部分。今天介绍的即为占据率半导体器件重要份额的IGBT。IGBT是目前大功率开关元器件中最为成熟，也是应用最为广泛的功率器件，驱动功率小而饱和压降低，是能源变换与传输的核心器件。同时具有高频率、高电压、大电流，易于开关等优良性能的IGBT，广泛应用于工业、汽车、通信及消费电子领域，未来的市场需求空间很大。

1、IGBT的定义

IGBT：IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT的内部结构

IGBT，作为一种先进的半导体器件，具有三个关键的端子：发射极、集电极和栅极（发射极emitter、集电极collector和栅极gate）。每个端子都配备了金属层，其中栅极端子的金属层上覆盖有一层二氧化硅，这是其独特的结构特点之一。

从结构上来看，逆变器IGBT是一种复杂的四层半导体器件，它通过巧妙地结合PNP和NPN晶体管，形成了独特的PNPN排列。

这种结构设计不仅赋予了IGBT高效的开关性能，还使其在电压阻断能力方面表现出色。

具体来说，IGBT的结构从集电极侧开始，最靠近的是（p+）衬底，也称为注入区。注入区上方是N漂移区，包含N层，这一区域的主要作用是允许大部分载流子（空穴电流）从（p+）注入到N-层。N漂移区的厚度对于决定IGBT的电压阻断能力至关重要。

在N漂移区的上方，是体区，由（p）衬底构成，靠近发射极。在体区内部，有一个（n+）层。注入区与N漂移区之间的连接点被称为J2结，而N区和体区之间的连接点则是J1结。

值得注意的是，逆变器IGBT的结构在拓扑上与MOS门控晶闸管相似，但二者在操作和功能上有显著差异。与晶闸管相比，IGBT在操作上更为灵活，因为它在整个设备操作范围内只允许晶体管操作，而不需要像晶闸管那样在零点交叉时等待快速开关。这种特性使得IGBT在逆变器等应用中更加受到青睐，因为它能够提供更高效、更可靠的开关性能。

IGBT工作原理

IGBT的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来开启或关闭。

如果正输入电压通过栅极，发射极保持驱动电路开启。另一方面，如果IGBT的栅极端电压为零或略为负，则会关闭电路应用。

由于IGBT既可用作BJT又可用作MOS管，因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率。

对于传统的BJT，增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同，我们将其称为Beta并表示为β。

另一方面，对于MOS管，没有输入电流，因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定IGBT的增益。

如图所示，当集电极相对于发射极处于正电位时，N沟道IGBT导通，而栅极相对于发射极也处于足够的正电位(VGET)。这种情况导致在栅极正下方形成反型层，从而形成沟道，并且电流开始从集电极流向发射极。

IGBT中的集电极电流Ic由两个分量Ie和Ih组成。Ie是由于注入的电子通过注入层、漂移层和最终形成的沟道从集电极流向发射极的电流。Ih是通过Q1和体电阻Rb从集电极流向发射极的空穴电流。因此尽管Ih几乎可以忽略不计，因此Ic≈Ie。

在IGBT中观察到一种特殊现象，称为IGBT的闩锁。这发生在集电极电流超过某个阈值（ICE）。在这种情况下，寄生晶闸管被锁定，栅极端子失去对集电极电流的控制，即使栅极电位降低到VGET以下，IGBT也无法关闭。

现在要关断IGBT，我们需要典型的换流电路，例如晶闸管强制换流的情况。如果不尽快关闭设备，可能会损坏设备。

下图很好地解释IGBT的工作原理，描述了IGBT的整个器件工作范围。

IGBT仅在栅极端子上有电压供应时工作，它是栅极电压，即VG。如上图所示，一旦存在栅极电压(VG)，栅极电流(IG)就会增加，然后它会增加栅极-发射极电压(VGE)。

因此，栅极-发射极电压增加了集电极电流(IC)。因此，集电极电流(IC)降低了集电极到发射极电压(VCE)。

注意：IGBT具有类似于二极管的电压降，通常为2V量级，仅随着电流的对数增加。

IGBT使用续流二极管传导反向电流，续流二极管放置在IGBT的集电极-发射极端子上。

IGBT等效电路和符号

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种结合了MOSFET和双极型晶体管（BJT）特性的先进半导体器件。它利用了MOSFET的高开关速度和BJT的低饱和电压特性，制造出一种既能够快速开关又能处理大电流的晶体管。IGBT的“绝缘栅”一词反映了其继承了MOSFET的高输入阻抗特性，同时它也是一种电压控制器件，这一点同样与MOSFET相似。而“双极晶体管”这一术语则表明IGBT也融合了BJT的输出特性。

在IGBT的等效电路中，可以看到它结合了N沟道MOSFET和PNP晶体管。N沟道MOSFET负责驱动PNP晶体管，其中栅极来自MOSFET，而集电极和发射极则来自PNP晶体管。在PNP晶体管中，集电极和发射极构成了导通路径，当IGBT被切换到接通状态时，这条路径就会导通并承载电流。

对于BJT，增益是通过将输出电流除以输入电流来计算的，表示为Beta（β）：β=输出电流/输入电流。然而，MOSFET是一个电压控制器件，其栅极与电流传导路径是隔离的，因此MOSFET的增益是输出电压变化与输入电压变化的比率。这一特点同样适用于IGBT，其增益是输出电流变化与输入栅极电压变化的比率。由于IGBT的高电流能力，BJT的高电流实际上是由MOSFET的栅极电压控制的。

IGBT的符号包括了晶体管的集电极-发射极部分和MOSFET的栅极部分。当IGBT处于导通或开关“接通”模式时，电流从集电极流向发射极。在IGBT中，栅极到发射极之间的电压差称为Vge，而集电极到发射极之间的电压差称为Vce。由于在集电极和发射极中的电流流动相对相同：Ie=Ic，因此Vce非常低。

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