絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

IGBT是一種功率開關(guān)晶體管，結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，用于電源和電機(jī)控制電路。

絕緣柵雙極型晶體管（簡稱IGBT）是傳統(tǒng)雙極結(jié)型晶體管（BJT）和場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的交叉產(chǎn)物，使其成為理想的半導(dǎo)體開關(guān)器件。

IGBT晶體管結(jié)合了這兩種常見晶體管的最佳部分，即MOSFET的高輸入阻抗和高開關(guān)速度以及雙極晶體管的低飽和電壓，并將它們結(jié)合在一起，產(chǎn)生另一種類型的晶體管開關(guān)器件，能夠處理大的集電極-發(fā)射極電流，而幾乎不需要門極電流驅(qū)動(dòng)。

典型絕緣柵雙極型晶體管

典型IGBT

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結(jié)合了MOSFET的絕緣柵（因此其名稱的第一部分）技術(shù)和傳統(tǒng)雙極晶體管的輸出性能特性（因此其名稱的第二部分）。

這種混合組合的結(jié)果是，“IGBT晶體管”具有雙極晶體管的輸出開關(guān)和導(dǎo)通特性，但像MOSFET一樣是電壓控制的。

IGBT主要用于電力電子應(yīng)用，如逆變器、轉(zhuǎn)換器和電源，這些應(yīng)用對固態(tài)開關(guān)器件的要求不能完全由功率雙極晶體管和功率MOSFET滿足。高電流和高電壓的雙極晶體管是可用的，但它們的開關(guān)速度較慢，而功率MOSFET可能具有更高的開關(guān)速度，但高電壓和高電流器件昂貴且難以實(shí)現(xiàn)。

絕緣柵雙極型晶體管相對于BJT或MOSFET的優(yōu)勢在于，它提供了比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更大的功率增益，同時(shí)結(jié)合了MOSFET的更高電壓操作和更低的輸入損耗。實(shí)際上，它是一個(gè)與雙極晶體管集成的FET，采用達(dá)林頓型配置，如圖所示。

絕緣柵雙極型晶體管

絕緣柵雙極型晶體管

我們可以看到，絕緣柵雙極型晶體管是一種三端跨導(dǎo)器件，它將絕緣柵N溝道MOSFET輸入與PNP雙極晶體管輸出連接在一起，采用達(dá)林頓型配置。

因此，其端子標(biāo)記為：集電極、發(fā)射極和門極。其中兩個(gè)端子（C-E）與傳導(dǎo)路徑相關(guān)，傳遞電流，而第三個(gè)端子（G）控制器件。

絕緣柵雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)的放大量是其輸出信號與輸入信號之間的比率。對于傳統(tǒng)的雙極結(jié)型晶體管（BJT），增益量大約等于輸出電流與輸入電流的比率，稱為Beta。

對于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或MOSFET，由于柵極與主要載流通道隔離，因此沒有輸入電流。因此，F(xiàn)ET的增益等于輸出電流變化與輸入電壓變化的比率，使其成為跨導(dǎo)器件，IGBT也是如此。然后我們可以將IGBT視為一個(gè)由MOSFET提供基極電流的功率BJT。

絕緣柵雙極型晶體管可以像BJT或MOSFET型晶體管一樣用于小信號放大電路。但由于IGBT結(jié)合了BJT的低導(dǎo)通損耗和功率MOSFET的高開關(guān)速度，因此存在一種理想的固態(tài)開關(guān)，非常適合用于電力電子應(yīng)用。

此外，IGBT的“導(dǎo)通狀態(tài)”電阻RON比等效MOSFET低得多。這意味著對于給定的開關(guān)電流，雙極輸出結(jié)構(gòu)上的I2R壓降要低得多。IGBT晶體管的正向阻斷操作與功率MOSFET相同。

當(dāng)用作靜態(tài)控制開關(guān)時(shí)，絕緣柵雙極型晶體管的電壓和電流額定值與雙極晶體管相似。然而，IGBT中存在絕緣柵，使得其驅(qū)動(dòng)比BJT簡單得多，因?yàn)樗璧尿?qū)動(dòng)功率要少得多。

絕緣柵雙極型晶體管只需通過激活和去激活其門極端子即可“開啟”或“關(guān)閉”。在門極和發(fā)射極之間施加正輸入電壓信號將使器件保持“開啟”狀態(tài)，而使輸入門極信號為零或略微負(fù)將使器件“關(guān)閉”，這與雙極晶體管或eMOSFET非常相似。IGBT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的導(dǎo)通狀態(tài)溝道電阻比標(biāo)準(zhǔn)MOSFET低得多。

IGBT特性

IGBT電路特性

由于IGBT是電壓控制器件，它只需要在門極上施加一個(gè)小電壓即可維持器件導(dǎo)通，而BJT則需要持續(xù)提供足夠大的基極電流以維持飽和。

此外，IGBT是單向器件，意味著它只能在一個(gè)“正向”上切換電流，即從集電極到發(fā)射極，而MOSFET具有雙向電流切換能力（正向受控，反向不受控）。

絕緣柵雙極型晶體管的工作原理和門極驅(qū)動(dòng)電路與N溝道功率MOSFET非常相似?；緟^(qū)別在于，當(dāng)電流在“導(dǎo)通”狀態(tài)下流過器件時(shí)，主要導(dǎo)電通道提供的電阻在IGBT中要小得多。因此，與等效功率MOSFET相比，其電流額定值要高得多。

使用絕緣柵雙極型晶體管相對于其他類型晶體管器件的主要優(yōu)勢在于其高電壓能力、低導(dǎo)通電阻、易于驅(qū)動(dòng)、相對較快的開關(guān)速度以及零門極驅(qū)動(dòng)電流，使其成為中速、高電壓應(yīng)用的良好選擇，如脈寬調(diào)制（PWM）、變速控制、開關(guān)模式電源或太陽能DC-AC逆變器和頻率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，工作在數(shù)百千赫茲范圍內(nèi)。

BJT、MOSFET和IGBT之間的一般比較如下表所示。

IGBT比較表

我們已經(jīng)看到，絕緣柵雙極型晶體管是一種半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有雙極結(jié)型晶體管（BJT）的輸出特性，但像金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）一樣受控。

IGBT晶體管的主要優(yōu)勢之一是其驅(qū)動(dòng)的簡單性，通過施加正門極電壓可以“開啟”，或通過使門極信號為零或略微負(fù)來“關(guān)閉”，使其可用于各種開關(guān)應(yīng)用。它也可以在其線性有源區(qū)域中驅(qū)動(dòng)，用于功率放大器。

由于其較低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻和導(dǎo)通損耗以及在高頻率下切換高電壓而不會(huì)損壞的能力，絕緣柵雙極型晶體管非常適合驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如線圈繞組、電磁鐵和直流電機(jī)。