在实际应用中最流行和最常见的电子元器件是双极结型晶体管BJT和MOS管。

　　IGBT实物图+电路符号图

百能云芯电子元器件商城 　　你可以把IGBT看作BJT和MOS管的融合体，IGBT具有BJT的输入特性和MOS管的输出特性。与BJT或MOS管相比，绝缘栅双极型晶体管IGBT的优势在于它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的MOS管输入损耗。 　　一、什么是IGBT？ 　　IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称，是一种三端半导体开关器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关。 　　IGBT主要用于放大器，用于通过脉冲宽度调制(PWM)切换/处理复杂的波形。 　　你可以看到输入侧代表具有栅极端子的MOS管，输出侧代表具有集电极和发射极的BJT。 　　集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。 　　IGBT的电路符号与等效电路图

百能云芯电子元器件商城 　　二、IGBT内部结构 　　IGBT有三个端子（集电极、发射极和栅极）都附有金属层。然而，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。 　　IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合PNP和NPN晶体管来实现的，它们构成了PNPN排列。 　　IGBT的内部结构图

百能云芯电子元器件商城 　　如上图所示，最靠近集电极区的层是(p+)衬底，即注入区；在它上面是N漂移区域，包括N层。注入区将大部分载流子（空穴电流）从(p+)注入N-层。 　　漂移区的厚度决定了IGBT的电压阻断能力。 　　漂移区域的上面是主体区域，它由(p)基板组成，靠近发射极，在主体区域内部，有(n+)层。 　　注入区域和N漂移区域之间的连接点是J2。类似地，N-区域和主体区域之间的结点是结点J1。 　　注意：IGBT的结构在拓扑上类似于“MOS”栅极的晶闸管。但是，晶闸管动作和功能是可抑制的，这意味着在IGBT的整个器件工作范围内只允许晶体管动作。 　　IGBT比晶闸管更可取，因为晶闸管等待过零的快速切换。 　　三、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。 　　IGBT结构图

百能云芯电子元器件商城 　　如上图所示，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 　　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。 　　集电极电流公式

百能云芯电子元器件商城 　　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的工作原理图

百能云芯电子元器件商城 　　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。 　　四、IGBT的等效电路 　　IGBT的近似等效电路由MOS管和PNP晶体管(Q1)组成，考虑到n-漂移区提供的电阻，电阻Rd已包含在电路中，如下图所示： 　　IGBT的近似等效电路

百能云芯电子元器件商城 　　仔细检查IGBT的基本结构，可以得出这个等效电路，基本结构如下图所示。 　　等效电路图的基本结构

百能云芯电子元器件商城 　　穿通IGBT、PT-IGBT：穿通IGBT、PT-IGBT在发射极接触处具有N+区。 　　观察上面显示IGBT的基本结构，可以看到到从集电极到发射极存在另一条路径，这条路径是集电极、p+、n-、p（n通道）、n+和发射极。 　　因此，在IGBT结构中存在另一个晶体管Q2作为n–pn+，因此，我们需要在近似等效电路中加入这个晶体管Q2以获得精确的等效电路。 　　IGBT的精确等效电路如下所示： 　　IGBT的精确等效电路图

百能云芯电子元器件商城 　　该电路中的Rby是p区对空穴电流的流动提供的电阻。 　　众所周知，IGBT是MOS管的输入和BJT的输出的组合，它具有与N沟道MOS管和达林顿配置的PNPBJT等效的结构，因此也可以加入漂移区的电阻。 　　五、IGBT的特性——静态VI特性 　　下图显示了n沟道IGBT的静态VI特性以及标有参数的电路图，该图与BJT的图相似，只是图中保持恒定的参数是VGE，因为IGBT是电压控制器件，而BJT是电流控制器件。 　　IGBT的静态特性图

百能云芯电子元器件商城 　　当IGBT处于关闭模式时（VCE为正且VGEVGET），反向电压被J2阻断，当它被反向偏置时，即VCE为负，J1阻断电压。 　　六、IGBT的特性——开关特性 　　IGBT是电压控制器件，因此它只需要一个很小的电压到栅极即可保持导通状态。 　　由于是单向器件，IGBT只能在从集电极到发射极的正向切换电流。IGBT的典型开关电路如下所示，栅极电压VG施加到栅极引脚以从电源电压V+切换电机(M)。电阻Rs大致用于限制通过电机的电流。 　　IGBT的典型开关电路图

百能云芯电子元器件商城 　　下图显示了IGBT的典型开关特性。 　　IGBT的典型开关特性

百能云芯电子元器件商城 　　导通时间（ton）：通常由延迟时间(tdn)和上升时间(tr)两部分组成。 　　延迟时间（tdn)：定义为集电极电流从漏电流ICE上升到0.1IC（最终集电极电流）和集电极发射极电压从VCE下降到0.9VCE的时间。 　　上升时间（tr)：定义为集电极电流从0.1IC上升到IC以及集电极-发射极电压从0.9VCE下降到0.1VCE的时间。 　　关断时间（toff）：由三个部分组成，延迟时间(tdf)、初始下降时间(tf1)和最终下降时间(tf2)。 　　延迟时间（tdf)：定义为集电极电流从IC下降到0.9IC并且VCE开始上升的时间。 　　初始下降时间（tf1)：集电极电流从0.9IC下降到0.2IC并且集电极发射极电压上升到0.1VCE的时间。 　　最终下降时间（tf2)：定义为集电极电流从0.2IC下降到0.1IC并且0.1VCE上升到最终值VCE的时间。 　　关断时间公式 　　导通时间公式 　　七、IGBT的特性——输入特性 　　下图可以理解IGBT的输入特性。开始，当没有电压施加到栅极引脚时，IGBT处于关闭状态，没有电流流过集电极引脚。 　　当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时，IGBT开始导通，集电极电流IG开始在集电极和发射极端子之间流动。集电极电流相对于栅极电压增加，如下图所示。 　　IGBT的输入特性图

百能云芯电子元器件商城 　　八、IGBT的特性——输出特性 　　由于IGBT的工作依赖于电压，因此只需要在栅极端子上提供极少量的电压即可保持导通。 　　IGBT与双极功率晶体管相反，双极功率晶体管需要在基极区域有连续的基极电流流动以保持饱和。IGBT是单向器件，这意味着它只能在“正向”（从集电极到发射极）开关。 　　IGBT与具有双向电流切换过程的MOS管正好相反。MOS管正向可控，反向电压不受控制。 　　在动态条件下，当IGBT关闭时，可能会经历闩锁电流，当连续导通状态驱动电流似乎超过临界值时，这就是闩锁电流。 　　此外，当栅极-发射极电压低于阈值电压时，会有少量漏电流流过IGBT，此时，集电极-发射极电压几乎等于电源电压，因此，四层器件IGBT工作在截止区。 　　IGBT的输出特性图

百能云芯电子元器件商城 　　IGBT的输出特性分为三个阶段： 　　第一阶段：当栅极电压VGE为零时，IGBT处于关断状态，这称为截止区。 　　第二阶段：当VGE增加时，如果它小于阈值电压，那么会有很小的漏电流流过IGBT，但IGBT仍然处于截止区。 　　第三阶段：当VGE增加到超过阈值电压时，IGBT进入有源区，电流开始流过IGBT。如上图所示，电流将随着电压VGE的增加而增加。 　　九、IGBT的优缺点 　　IGBT作为一个整体兼有BJT和MOS管的优点。 　　1、优点 　　具有更高的电压和电流处理能力。 　　具有非常高的输入阻抗。 　　可以使用非常低的电压切换非常高的电流。 　　电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。 　　栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求 　　通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或负电压可以很容易地关闭它。 　　具有非常低的导通电阻。 　　具有高电流密度，使其能够具有更小的芯片尺寸。 　　具有比BJT和MOS管更高的功率增益。 　　具有比BJT更高的开关速度。 　　可以使用低控制电压切换高电流电平。 　　由于双极性质，增强了传导性。 　　更安全 　　2、缺点 　　开关速度低于MOS管。 　　单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。 　　不能阻挡更高的反向电压。 　　比BJT和MOS管更昂贵。 　　类似于晶闸管的PNPN结构，它存在锁存问题。 　　与PMOS管相比，关断时间长。 　　类似于晶闸管的PNPN结构，它存在锁存问题。 　　与PMOS管相比，关断时间长。 　　以上就是关于IGBT（绝缘栅双极型晶体管)内部结构、工作原理、特性、优缺点等的内容。