絕緣柵雙極晶體管知識：IGBT對比功率MOSFET和BJT的優(yōu)勢

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是少數載流子器件，具有高輸入阻抗和較大的雙極載流能力。許多設計人員將IGBT視為具有MOS輸入特性和雙極性輸出特性的器件，它是一種壓控雙極性器件。為了利用功率MOSFET和BJT的優(yōu)點，引入了IGBT。它是單片形式的功率MOSFET和BJT器件的功能集成。它結合了兩者的最佳屬性，以實現(xiàn)最佳的器件特性[2]。

IGBT適用于電力電子領域的許多應用，尤其是在需要高動態(tài)范圍控制和低噪聲的脈寬調制（PWM）伺服和三相驅動器中。它也可以用于不間斷電源（UPS），開關電源（SMPS）和其他要求高開關重復頻率的電源電路中。IGBT改善了動態(tài)性能和效率，并降低了可聽噪聲水平。它同樣適用于諧振模式轉換器電路。經過優(yōu)化的IGBT可提供低傳導損耗和低開關損耗。

IGBT優(yōu)于功率MOSFET和BJT的主要優(yōu)點是：

由于電導率調制，它具有非常低的導通狀態(tài)電壓降，并具有出色的導通狀態(tài)電流密度。因此，較小的芯片尺寸是可能的，并且可以降低成本。

由于輸入MOS柵極結構，驅動功率低，驅動電路簡單。與高電壓和高電流應用中的電流控制設備（晶閘管，BJT）相比，它易于控制。

廣泛的SOA。與雙極型晶體管相比，它具有出色的電流傳導能力。它還具有出色的正向和反向阻止功能。

基本結構

圖1顯示了基于DMOS工藝的典型N溝道IGBT的基本原理圖。這是該器件可能采用的幾種結構之一。顯然，除了P +注入層以外，IGBT的硅橫截面與垂直功率MOSFET的硅橫截面幾乎相同。它與N +源區(qū)共享相似的MOS柵極結構和P阱。頂部的N +層是源極或發(fā)射極，底部的P +層是漏極或集電極。制作P溝道IGBT也是可行的，為此，每層中的摻雜分布將顛倒。IGBT具有包括四層NPNP結構的寄生晶閘管。該晶閘管的導通是不希望的。

通用N溝道IGBT的示意圖[2]

某些沒有N +緩沖層的IGBT被稱為非穿通（NPT）IGBT，而具有該層的IGBT被稱為穿通（PT）IGBT。如果適當地選擇該層的摻雜水平和厚度，則該緩沖層的存在可以顯著提高器件的性能。盡管存在物理上的相似之處，但IGBT的操作比功率MOSFET的操作更接近功率BJT的操作。這是由于P +漏極層（注入層）負責將少數載流子注入到N-漂移區(qū)并導致電導率調制。

IGBT的等效電路模型[2]

根據該結構，可以繪制一個簡單的IGBT等效電路模型，如圖2所示。它包含MOSFET，JFET，NPN和PNP晶體管。PNP的集電極連接到NPN的基極，NPN的集電極通過JFET連接到PNP的基極。NPN和PNP晶體管代表構成可再生反饋環(huán)路的寄生晶閘管。電阻器RB代表NPN晶體管的基極-發(fā)射極的短路，以確保晶閘管不會閉鎖，這將導致IGBT閉鎖。JFET表示任何兩個相鄰IGBT單元之間的電流收縮。它支持大多數電壓，并允許MOSFET為低電壓類型，因此RDS（on）值較低。IGBT的電路符號如圖3所示。

IGBT電路符號

操作模式

當在集電極到發(fā)射極的端子之間施加正電壓，并且柵極短路到發(fā)射極時，如圖1所示，器件進入正向阻塞模式，結點J1和J3被正向偏置，結點J2被反向偏置。耗盡層在結J2的兩側上部分地延伸到P基區(qū)和N漂移區(qū)中。

當在圖1所示的集電極-發(fā)射極兩端施加負電壓時，結J1變?yōu)榉聪蚱?，其耗盡層延伸到N-漂移區(qū)。反向阻斷期間的擊穿電壓由P +集電極/ N-漂移區(qū)/ P基極區(qū)形成的開基BJT決定。如果N-漂移區(qū)的摻雜非常輕，則該器件很容易擊穿?？梢酝ㄟ^優(yōu)化N-漂移區(qū)的電阻率和厚度來獲得所需的反向電壓能力。

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