绝缘栅双极晶体管——IGBT，认识其原理及其应用

绝缘栅双极晶体管也简称为IGBT ，是传统双极结型晶体管(BJT) 和场效应晶体管(MOSFET)的交叉体，使其成为理想的半导体开关器件。

IGBT晶体管结合了这两种常见晶体管的优点，即MOSFET的高输入阻抗和高开关速度以及双极晶体管的低饱和电压，并将它们组合在一起产生另一种类型的晶体管开关器件，即能够处理大集电极-发射极电流，栅极电流驱动几乎为零。

典型 IGBT

绝缘栅双极晶体管(IGBT) 将 MOSFET 的绝缘栅（因此其名称的第一部分）技术与传统双极晶体管（因此其名称的第二部分）的输出性能特征相结合。

这种混合组合的结果是“IGBT 晶体管”具有双极晶体管的输出开关和导通特性，但像 MOSFET 一样受电压控制。

IGBT 主要用于电力电子应用，例如逆变器、转换器和电源，而功率双极和功率 MOSFET 不能完全满足固态开关器件的需求。高电流和高电压双极型器件是可用的，但它们的开关速度很慢，而功率MOSFET可能具有更高的开关速度，但高电压和高电流器件价格昂贵且难以实现。

绝缘栅双极型晶体管器件相对于 BJT 或 MOSFET 的优势在于，它提供比标准双极型晶体管更大的功率增益，并且 MOSFET 具有更高的工作电压和更低的输入损耗。实际上，它是一个与双极晶体管集成的 FET，采用如图所示的达林顿型配置形式。

绝缘栅双极晶体管

我们可以看到，绝缘栅双极晶体管是一种三端跨导器件，它将绝缘栅 N 沟道 MOSFET 输入与以达林顿配置类型连接的 PNP 双极晶体管输出结合在一起。

因此，终端被标记为：Collector 、 Emitter和Gate 。其两个端子 ( CE ) 与通过电流的电导路径相关联，而其第三个端子 ( G ) 控制器件。

绝缘栅双极晶体管实现的放大量是其输出信号与其输入信号之间的比率。对于传统的双极结型晶体管 (BJT)，增益量大约等于输出电流与输入电流的比率，称为 Beta。

对于金属氧化物半导体场效应晶体管或MOSFET，由于栅极与主载流沟道隔离，因此没有输入电流。因此，FET 的增益等于输出电流变化与输入电压变化之比，使其成为跨导器件，对于 IGBT 也是如此。那么我们可以将IGBT视为功率BJT，其基极电流由MOSFET提供。

绝缘栅双极晶体管可用于小信号放大器电路，其方式与 BJT 或 MOSFET 型晶体管大致相同。但由于 IGBT 结合了 BJT 的低传导损耗和功率 MOSFET 的高开关速度，因此存在一种最佳固态开关，非常适合电力电子应用。

R ON比等效 MOSFET低得多。这意味着对于给定开关电流，双极输出结构上的I2 R压降要低得多。IGBT 晶体管的正向阻断操作与功率 MOSFET 相同。

当用作静态控制开关时，绝缘栅双极晶体管具有与双极晶体管相似的额定电压和电流。然而，IGBT 中隔离栅极的存在使得其驱动比 BJT 简单得多，因为所需的驱动功率要少得多。

绝缘栅双极晶体管只需通过激活和停用其栅极端子即可“开启”或“关闭”。在栅极和发射极之间施加正输入电压信号将使器件保持在“ON”状态，而使输入栅极信号为零或稍微为负将导致其以与双极晶体管大致相同的方式关闭“OFF”或 eMOSFET。IGBT 的另一个优点是它的通态沟道电阻比标准 MOSFET 低得多。

IGBT特性

由于 IGBT 是电压控制器件，因此它只需要栅极上有一个小电压即可维持器件导通，这与 BJT 不同，BJT 需要连续提供足够量的基极电流以维持饱和。

此外，IGBT 是一种单向器件，这意味着它只能在“正向”（即从集电极到发射极）上切换电流，这与具有双向电流切换功能（正向受控而反向不受控）的 MOSFET 不同。

绝缘栅双极晶体管的工作原理和栅极驱动电路与N沟道功率MOSFET非常相似。基本区别在于，在 IGBT 中，当电流流过处于“ON”状态的器件时，主传导通道提供的电阻要小得多。因此，与同等功率 MOSFET 相比，额定电流要高得多。

使用绝缘栅双极晶体管的主要优点是其高电压能力、低导通电阻、易于驱动、相对较快的开关速度以及零栅极驱动电流使其成为中等速度的良好选择、高压应用，例如脉宽调制 (PWM)、变速控制、开关模式电源或太阳能供电的 DC-AC 逆变器和在数百千赫范围内运行的变频器应用。

下表给出了 BJT、MOSFET 和 IGBT 之间的一般比较。

IGBT 比较表

设备 特点	功率 双极	功率 MOSFET	IGBT
额定电压	高<1kV	高<1kV	非常高 >1kV
目前评级	高<500A	低<200A	高>500A
输入驱动	电流，h FE 20-200	电压， VGS 3-10V	电压，VGE 4-8V
输入阻抗	低	高	高
输出阻抗	低	中等	低
开关速度	慢（uS）	快（nS）	中等的
成本	低	中等	高

我们已经看到，绝缘栅双极晶体管是一种半导体开关器件，具有双极结型晶体管 (BJT) 的输出特性，但其控制方式类似于金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET)。

IGBT 晶体管的主要优点之一是简单性，可以通过施加正栅极电压将其驱动为“ON”，或者通过使栅极信号为零或略为负来将其切换为“OFF”，从而使其可用于多种应用。切换应用程序。它还可以在其线性有源区域中驱动，以用于功率放大器。

绝缘栅双极晶体管具有较低的通态电阻和传导损耗，并且能够在高频下切换高电压而不会造成损坏，因此非常适合驱动线圈绕组、电磁体和直流电机等感性负载。

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审核编辑：汤梓红