本文主要講一下 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)，今天就講一下IGBT，那位留言的朋友記得按時來看。

在實際應用中最流行和最常見的電子元器件是雙極結型晶體管 BJT 和 MOS管。在之前的文章中我已經對BJT的工作原理和MOS管的工作原理以及結構應用有進行詳細地說明。

IGBT實物圖+電路符號圖

雖然說 BJT 和 MOS 管是最流行和最常見的元器件，但是在非常高電流的應用中有限制，這個時候 IGBT 就派上用場了。

你可以把 IGBT 看作 BJT 和 MOS 管的融合體，IGBT具有 MOS 的輸入特性和BJT 管的輸出特性。

與 BJT 或 MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 的優勢在于它提供了比標準雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的 MOS 管輸入損耗。

這篇文章將較為詳細地講解 IGBT 內部構造，工作原理等基礎知識。希望能夠讓大家更了解 IGBT，也請大家多多指教。

一、什么是IGBT？

IGBT 是絕緣柵雙極晶體管的簡稱，是一種三端半導體開關器件，可用于多種電子設備中的高效快速開關。

IGBT 主要用于放大器，用于通過脈沖寬度調制 (PWM) 切換/處理復雜的波形。

就像我上面說的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合，IGBT 的符號也代表相同。你可以看到輸入側代表具有柵極端子的 MOS管，輸出側代表具有集電極和發射極的 BJT。

集電極和發射極是導通端子，柵極是控制開關操作的控制端子。

IGBT的電路符號與等效電路圖

二、IGBT內部結構

IGBT 有三個端子（集電極、發射極和柵極）都附有金屬層。然而，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。

IGBT結構是一個四層半導體器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實現的，它們構成了 PNPN 排列。

IGBT的內部結構圖

如上圖所示，最靠近集電極區的層是 (p+) 襯底，即注入區；在它上面是 N 漂移區域，包括 N 層。注入區將大部分載流子（空穴電流）從 (p+) 注入 N- 層。

漂移區的厚度決定了 IGBT 的電壓阻斷能力。

漂移區域的上面是主體區域，它由 (p) 基板組成，靠近發射極，在主體區域內部，有 (n+) 層。

收集器區域（或注入區域）和 N 漂移區域之間的連接點是 J2。類似地，N-區域 和 主體區域之間的結點是結點 J1。

注意： IGBT 的結構在拓撲上類似于“MOS”柵極的晶閘管。但是，晶閘管動作和功能是可抑制的，這意味著在 IGBT 的整個器件工作范圍內只允許晶體管動作。

IGBT 比晶閘管更可取，因為晶閘管等待過零的快速切換。

三、IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關閉。

如果正輸入電壓通過柵極，發射器保持驅動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵極端電壓為零或略為負，則會關閉電路應用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率。

對于傳統的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。

另一方面，對于 MOS管，沒有輸入電流，因為柵極端子是主通道承載電流的隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

IGBT 結構圖

如下圖所示，當集電極相對于發射極處于正電位時，N 溝道 IGBT 導通，而柵極相對于發射極也處于足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開始從集電極流向發射極。

IGBT 中的集電極電流 Ic由兩個分量 Ie和 Ih組成。Ie是由于注入的電子通過注入層、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發射極的電流。Ih是通過 Q1和體電阻 Rb從集電極流向發射極的空穴電流。因此

盡管 Ih幾乎可以忽略不計，因此 Ic ≈ Ie。

在 IGBT 中觀察到一種特殊現象，稱為 IGBT 的閂鎖。這發生在集電極電流超過某個閾值（ICE）。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對集電極電流的控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關閉。現在要關斷 IGBT，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強制換流的情況。如果不盡快關閉設備，可能會損壞設備。

集電極電流公式

下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個器件工作范圍。

IGBT的工作原理圖

IGBT 僅在柵極端子上有電壓供應時工作，它是柵極電壓，即VG。

如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會增加，然后它會增加柵極-發射極電壓 ( V GE )。

因此，柵極-發射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發射極電壓 ( VCE )。

注意： IGBT 具有類似于二極管的電壓降，通常為 2V 量級，僅隨著電流的對數增加。

IGBT 使用續流二極管傳導反向電流，續流二極管放置在 IGBT 的集電極-發射極端子上。

四、IGBT的等效電路

IGBT的近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管(Q1 )組成,考慮到 n- 漂移區提供的電阻，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示：

IGBT 的近似等效電路

仔細檢查 IGBT 的基本結構，可以得出這個等效電路，基本結構如下圖所示。

等效電路圖的基本結構

1、穿通 IGBT、PT-IGBT： 穿通 IGBT、PT-IGBT 在發射極接觸處具有 N+ 區。

觀察上面顯示 IGBT 的基本結構，可以看到到從集電極到發射極存在另一條路徑，這條路徑是集電極、p+、n- 、 p（n 通道）、n+ 和發射極。

因此，在 IGBT 結構中存在另一個晶體管 Q2作為 n – pn+，因此，我們需要在近似等效電路中加入這個晶體管 Q2以獲得精確的等效電路。

IGBT 的確切等效電路如下所示：

IGBT的精確等效電路圖

該電路中的Rby是 p 區對空穴電流的流動提供的電阻。

眾所周知，IGBT是 MOS 管的輸入和 BJT 的輸出的組合，它具有與N溝道MOS管和達林頓配置的PNP BJT等效的結構，因此也可以加入漂移區的電阻。

五、IGBT 的特性

1、靜態 VI 特性

下圖顯示了 n 溝道 IGBT 的靜態 VI 特性以及標有參數的電路圖，該圖與 BJT 的圖相似，只是圖中保持恒定的參數是 VGE，因為 IGBT 是電壓控制器件，而 BJT 是電流控制器件。

IGBT的靜態特性圖

當 IGBT 處于關閉模式時（VCE為正且 VGE < VGET），反向電壓被 J 2 阻斷，當它被反向偏置時，即 VCE為負，J 1 阻斷電壓。

2、開關特性

IGBT 是電壓控制器件，因此它只需要一個很小的電壓到柵極即可保持導通狀態。

由于是單向器件， IGBT 只能在從集電極到發射極的正向切換電流。IGBT的典型開關電路如下所示，柵極電壓 VG施加到柵極引腳以從電源電壓 V+ 切換電機 (M)。電阻 Rs 大致用于限制通過電機的電流。

IGBT的典型開關電路圖

下圖顯示了IGBT 的典型開關特性。

IGBT 的典型開關特性

導通時間（ t on）：通常由延遲時間 (t dn ) 和上升時間 (t r ) 兩部分組成。

延遲時間 （t dn )：定義為集電極電流從漏電流 ICE上升到 0.1 IC（最終集電極電流）和集電極發射極電壓從 VCE下降到 0.9VCE的時間。

上升時間 （t r )：定義為集電極電流從 0.1 IC上升到 IC以及集電極-發射極電壓從 0.9V CE下降到 0.1 VCE的時間。

關斷時間（ t off）:由三個部分組成，延遲時間 (t df )、初始下降時間 (t f1 ) 和最終下降時間 (t f2 )。

延遲時間 （t df )：定義為集電極電流從 I C下降到 0.9 I C并且 V CE開始上升的時間。

初始下降時間 （t f1 )：是集電極電流從 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集電極發射極電壓上升到 0.1 V CE的時間。

最終下降時間 （t f2 )：定義為集電極電流從 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最終值 V CE的時間。

關斷時間公式
 
導通時間公式

3、輸入特性

下圖可以理解IGBT的輸入特性。開始，當沒有電壓施加到柵極引腳時，IGBT 處于關閉狀態，沒有電流流過集電極引腳。

當施加到柵極引腳的電壓超過閾值電壓時，IGBT 開始導通，集電極電流 I G開始在集電極和發射極端子之間流動。集電極電流相對于柵極電壓增加，如下圖所示。

 
IGBT的輸入特性圖

4、輸出特性

由于 IGBT 的工作依賴于電壓，因此只需要在柵極端子上提供極少量的電壓即可保持導通。

IGBT 與雙極功率晶體管相反，雙極功率晶體管需要在基極區域有連續的基極電流流動以保持飽和。IGBT 是單向器件，這意味著它只能在“正向”（從集電極到發射極）開關。

IGBT 與具有雙向電流切換過程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向電壓不受控制。

在動態條件下，當 IGBT 關閉時， 可能會經歷閂鎖電流，當連續導通狀態驅動電流似乎超過臨界值時，這就是閂鎖電流。

此外，當柵極-發射極電壓低于閾值電壓時，會有少量漏電流流過 IGBT ，此時，集電極-發射極電壓幾乎等于電源電壓，因此，四層器件 IGBT 工作在截止區。

IGBT 的輸出特性圖

開IGBT 的輸出特性分為三個階段：

第一階段：當柵極電壓 VGE 為零時，IGBT 處于關斷狀態，這稱為截止區。

第二階段：當 VGE 增加時，如果它小于閾值電壓，那么會有很小的漏電流流過 IGBT ，但I GBT 仍然處于截止區。

第三階段：當 VGE增加到超過閾值電壓時，IGBT 進入有源區，電流開始流過 IGBT 。如下圖所示，電流將隨著電壓 VGE的增加而增加。

六、IGBT的分類-穿通 IGBT（PT-IGBT）和非穿通 IGBT（NPT-IGBT）

IGBT 可以根據它們是否在最靠近發射極的P層內具有N+緩沖層而分為兩種主要方式。

取決于它們后來是否具有 N+，它們被稱為穿通 IGBT 或非穿通 IGBT。

1、穿通 IGBT、PT-IGBT

穿通 IGBT、PT-IGBT 在發射極接觸處具有 N+ 區。

穿通 IGBT 包括 N+ 緩沖層，因此也被稱為非對稱 IGBT。非對稱 IGBT 具有不對稱的電壓阻斷能力，即正向和反向擊穿電壓不同。

非對稱 IGBT 的反向擊穿電壓小于其正向擊穿電壓，同時具有更快的切換速度。

穿通 IGBT 是單向的，不能處理反向電壓。因此，它們被用于逆變器和斬波器電路等直流電路中。

2、非穿通 IGBT, NPT-IGBT

非穿通IGBTs沒有由發射極接觸額外的N+區域。NPT-IGBT 的結構導致它們也被稱為對稱 IGBT。

由于沒有額外的 N+ 緩沖層，非穿通 IGBT 也被稱為對稱 IGBT。

結構的對稱性提供了對稱的擊穿電壓特性，即正向和反向擊穿電壓相等。由于這個原因，它們被用于交流電路。

3、PT-IGBT 和 NPT-IGBT 在電路設計上的差異

PT IGBT 和 NPT IGBT 因其結構而具有許多不同的特性。

盡管差異并不總是很顯著，但選擇使用 NPT IGBT 還是 PT IGBT 可能會對電路設計產生重大影響。

1、開關損耗： 對于給定的 V CE(on)，PT IGBT 將具有更高的開關速度，因此，它的總開關能量更低，這是由于較高的增益和少數載流子壽命減少，從而減少了尾電流。

2、堅固性： 一個重要的問題是短路電流能力。1）一般來說，NPT IGBT 通常具有短路額定值，但 PT IGBT 則沒有。

2）從廣義上講，由于結構內 PNP 雙極晶體管的基極更寬且增益更低，NPT 技術更加堅固耐用，這是 NPT 半導體器件的主要優勢，盡管這需要與開關速度進行權衡。

3）就最大電壓而言，很難制造集電極-發射極電壓大于約 600 伏的 PT-IGBT，而使用 NPT 拓撲則很容易實現，這可能會對任何給定電子設計的半導體器件選擇產生影響。

3、溫度影響： 對于 PT 和 NPT IGBT，開關速度幾乎不受溫度影響。然而，可能對任何電路設計產生影響的一種影響是二極管中的反向恢復電流隨著溫度的升高而增加，因此外部二極管的影響可能會影響電路設計中的導通損耗。

在關斷損耗方面，對于 NPT 器件，速度和開關損耗在整個溫度范圍內幾乎保持不變。對于 PT IGBT，關斷速度降低，因此開關損耗增加，然而，無論如何，損耗通常都很低，因此它不太可能對大多數電子設計產生任何明顯的影響。

七、IGBT 的優缺點

IGBT作為一個整體兼有BJT和MOS管的優點。

1、優點

• 具有更高的電壓和電流處理能力。
• 具有非常高的輸入阻抗。
• 可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。
• 電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。
• 柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求
• 通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或稍微負電壓可以很容易地關閉它。
• 具有非常低的導通電阻。
• 具有高電流密度，使其能夠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 更高的開關速度。
• 可以使用低控制電壓切換高電流電平。
• 由于雙極性質，增強了傳導性。
• 更安全

2、缺點

• 開關速度低于 MOS管。
• 單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。
• 不能阻擋更高的反向電壓。
• 比 BJT 和 MOS管 更昂貴。
• 類似于晶閘管的 PNPN 結構，它存在鎖存問題。
• 與 PMOS 管 相比，關斷時間長。
• 類似于晶閘管的 PNPN 結構，它存在鎖存問題。
• 與 PMOS 管 相比，關斷時間長。

以上就是關于 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)內部結構、工作原理、特性、優缺點等的內容，希望大家能夠多多支持我。