此 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 是现代电子领域最重要的功率半导体器件之一。结合 MOSFET的 和 双极晶体管IGBT 已成为大功率应用中不可或缺的一部分，例如 电动汽车, 可再生能源系统、智能电网和轨道交通。本文介绍了IGBT的定义、结构、工作原理、优势、应用以及选择的关键考虑因素。
定义
IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种复合、全控、电压驱动的功率半导体器件，它融合了MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降。这种组合赋予IGBT高电压和高电流处理能力以及高效的开关性能。
结构
IGBT 通常由四个半导体层组成：P 型发射极、N 型基极、N 型漂移区和 P 型集电极。MOSFET 结构（P 型发射极/N 型基极）控制电流，而 BJT 结构（N 型漂移/P 型集电极）提供高电流传导。顶部的绝缘栅极控制 MOS 沟道，进而启用或禁用 BJT 传导。
喜拓 IGBT 电源模块
工作原理
IGBT 通过激活或停用栅极端子来导通或关断。如果在栅极施加正输入电压，发射极将保持驱动电路导通。另一方面，如果 IGBT 栅极端子的电压为零或略微为负，则电路关断。
计划 IGBT 既可用作 BJT，又可用作 MOSFET，它所达到的放大量是其输出信号与控制输入信号之间的比率。
对于传统的 BJT，增益量大致与输出电流与输入电流的比率相同，我们称之为 beta。
另一方面，对于MOSFET，由于栅极端子与主载流通道隔离，因此没有输入电流。IGBT的增益由输出电流的变化除以输入电压的变化来确定。
IGBT结构图
如图所示，当集电极相对于发射极处于正电位，同时栅极相对于发射极也处于足够正的电位（>V GET ）时，N沟道IGBT导通。这种情况会导致栅极正下方形成反型层，从而形成沟道，允许电流从集电极流向发射极。
IGBT 中的集电极电流 Ic 由两部分组成：le 和 lh。le 是由于注入电子穿过注入层、漂移层以及由此形成的沟道而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，即使 lh 几乎可以忽略不计，Ic ≈ le。
IGBT 中观察到的一种独特现象被称为 IGBT 闩锁。当集电极电流超过某个阈值 (ICE) 时，就会发生闩锁。在这种情况下，寄生晶闸管会被闩锁，栅极端失去对集电极电流的控制。即使栅极电位降至 V GET 以下，IGBT 也无法关断。现在，要关断 IGBT，我们需要一个典型的换流电路，例如晶闸管的强制换流。如果器件不能快速关断，可能会损坏。
下图很好的解释了IGBT的工作原理，描述了IGBT的整个器件工作范围。
IGBT工作原理图
IGBT 仅在栅极端子施加电压（即栅极电压，或 VG）时才能工作。如上图所示，一旦施加栅极电压 (VG)，栅极电流 (IG) 就会增加，进而导致栅极-发射极电压 (VGE) 增加。
因此，栅极-发射极电压会增加集电极电流（IC），集电极电流（IC）会降低集电极-发射极电压（VCE）。
注意： IGBT 具有类似二极管的电压降，通常在 2V 的数量级，并且仅随着电流的对数而增加。
IGBT 使用续流二极管来传导反向电流。续流二极管位于 IGBT 的集电极和发射极端子之间。
各类功率器件按输出容量及工作频率适用范围示意图：
IGBT 的类型
- 穿通型（PT）IGBT： 由于具有 N+ 缓冲层，它们适合高速切换。
- 非穿通型（NPT）IGBT： 无需缓冲层，具有更高的鲁棒性和对称阻断能力。
- 对称IGBT： 正向和反向击穿电压相同，适用于交流电路。
- 非对称IGBT： 较低的反向击穿电压，主要用于直流应用。
如何选择合适的IGBT
为您的应用选择 IGBT 时，请考虑以下因素：
- 额定电压（Vces）： 选择比最大电路电压至少高 20–30% 的电压。
- 额定电流（Ic）： 确保预期负载电流具有足够的裕度。
- 开关频率：
- 对于高频应用（逆变器、SMPS），优先考虑低开关损耗。
- 对于低频、大功率应用（牵引、电网），优先考虑低传导损耗。
- 热管理： 考虑结温、散热和封装设计。
- 申请类型：
- 电动汽车和充电：快速切换，高效率。
- 智能电网：耐高压、可靠性。
- 轨道交通：高坚固性和热稳定性。
- 成本与性能： 高端模块损耗更低，但成本更高。务必在效率和预算之间取得平衡。
经验法则： 对于工业应用，请始终查阅数据表，在负载条件下进行模拟，并在系统设计中考虑长期可靠性。
推荐阅读：
HIITIO IGBT生产场景
优缺点分析
优势
- 高电压和电流处理能力
- 高输入阻抗
- 简单且经济高效的门极驱动
- 低传导电阻
- 高电流密度，更小的芯片尺寸
- 与 BJT 和 MOSFET 相比，功率增益更高
- 开关速度快
- 运行可靠、安全
限制
- 开关速度比 MOSFET 慢
- 单向，没有额外电路就无法处理交流电
- 有限的反向阻断能力
- 比 MOSFET 和 BJT 更昂贵
- PNPN 结构可能引发闩锁问题
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IGBT的应用
1. 新能源汽车
- 电机驱动（DC/AC逆变器）： 为电动汽车发动机提供动力。
- 车载空调控制： 管理车辆 HVAC 系统。
- 充电站： 用作快速充电器中的开关装置。
2. 智能电网
- 代： 风能和太阳能逆变器。
- 传输： HVDC和FACTS应用。
- 分布： 电力电子变压器的核心部件。
- 最终用途： 微波炉、LED 驱动器和 HVAC 系统等电器。
3. 轨道交通
基于 IGBT 的牵引逆变器是交流驱动系统的核心，在火车、地铁和辅助电力系统中不可或缺。
常见问题
问1：IGBT和MOSFET有什么区别？
IGBT 更适合高压应用（高达 1400V），而 MOSFET 速度更快但仅限于较低电压（约 600V）。
问题2：如何控制IGBT？
通过向栅极施加正电压（打开）并移除或向栅极施加负电压（关闭）。
问题 3：如何测试 IGBT？
使用万用表检查绝缘、栅极功能和二极管完整性。并采取 ESD 保护措施。
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