淺析IGBT成為熱門的技術(shù)原因及應(yīng)用

近年IGBT這個(gè)專業(yè)名詞非常的熱。電子、半導(dǎo)體、汽車、能源、電力、控制系統(tǒng)等行業(yè)，好像都涉及到了這個(gè)名詞。IGBT算是一個(gè)比較新的技術(shù)，通過(guò)其高效的電源管理能力，確實(shí)正在對(duì)這此行業(yè)進(jìn)行升級(jí)換代。本文我們來(lái)了解一下IGBT之所以成為熱門的技術(shù)原因，和它的應(yīng)用。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）英文的字面翻譯是絕緣柵雙極晶體管。它是一種三端半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，可用于多種類型的電子器件中實(shí)現(xiàn)高效率的快速開(kāi)關(guān)，用于開(kāi)關(guān)/處理具有脈寬調(diào)制(PWM)的復(fù)雜波形。IGBT的典型符號(hào)及其圖像如下所示。

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常見(jiàn)的電子開(kāi)關(guān)元器件是 BJT （雙極結(jié)晶體管）和 MOSFET，但是在高電流的應(yīng)用境中，這兩種元件就有所限制，這個(gè)時(shí)候 IGBT 就派上用場(chǎng)了。

IGBT可以用由兩個(gè)晶體管和MOSFET組成的等效電路來(lái)構(gòu)造，因?yàn)镮GBT具有PNP晶體管、NPN晶體管和MOSFET組合的輸出。

IGBT結(jié)合了晶體管的低飽和電壓和MOSFET的高輸入阻抗和開(kāi)關(guān)速度。這種組合的結(jié)果提供了雙極晶體管的輸出開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通特性，但電壓像MOSFET一樣被控制。

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IGBT因組合方式不同，有多種不同的名字：

IGT（Insulated Gate Transistor）絕緣柵晶體管

MOSIGT(Metal Oxide Insulated Gate Transistor)金屬氧化物絕緣柵晶體管

GEMFET(Gain Modulated Field Effect Transistor)增益調(diào)制場(chǎng)效應(yīng)晶體管

COMFET(Conductively Modulated Field Effect Transistor)傳導(dǎo)調(diào)制場(chǎng)效應(yīng)晶體管

IGBT的三個(gè)終端分別連接在三個(gè)不同的金屬層上，柵極終端的金屬層通過(guò)一層二氧化硅(SIO2)與半導(dǎo)體絕緣。IGBT由4層半導(dǎo)體夾在一起構(gòu)成?？拷姌O的層是p+襯底層，它上面是n層，另一個(gè)p層靠近發(fā)射極，在p層里面是n+層。p+層與n層之間的結(jié)稱為J2結(jié)，n層與p層之間的結(jié)稱為J1結(jié)。IGBT的結(jié)構(gòu)如圖下所示。

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我們這樣來(lái)理解IGBT的工作原理：一個(gè)電壓源VG，它相對(duì)于發(fā)射極正接在柵極端子上。連接在發(fā)射極和集電極上的其他電壓源VCC，其中集電極與發(fā)射極保持正相關(guān)。由于電壓源VCC，結(jié)J1將是正向偏置，而結(jié)J2將是反向偏置。由于J2處于反向偏置，因此不會(huì)有任何電流在IGBT內(nèi)部流動(dòng)(從集電極到發(fā)射極)。

最初，考慮柵極端子沒(méi)有施加電壓，在此階段IGBT將處于不導(dǎo)電狀態(tài)?，F(xiàn)在，如果我們?cè)黾邮┘拥臇艠O電壓，由于在SiO2層上的電容效應(yīng)，負(fù)離子將在該層的上部積累，而正離子將在SiO2層的下部積累。這將導(dǎo)致在p區(qū)插入負(fù)電荷載流子，施加的VG電壓越高，插入的負(fù)電荷載流子就越大。這將導(dǎo)致J2結(jié)之間形成通道，允許電流從集電極流向發(fā)射極。電流在圖中表示為電流路徑，當(dāng)施加?xùn)艠O電壓VG增加時(shí)，從集電極到發(fā)射極的電流也增加。

根據(jù)n+緩沖層將IGBT分為兩種，具有n+緩沖層的IGBT稱為穿孔型IGBT (PT-IGBT)，沒(méi)有n+緩沖層的IGBT稱為無(wú)穿孔型IGBT (NPT- IGBT)。 根據(jù)NPT- IGBT和PT-IGBT的特性，分別被稱為對(duì)稱型和非對(duì)稱型IGBT。對(duì)稱型igbt具有相同的正向和反向擊穿電壓。非對(duì)稱igbt是反向擊穿電壓小于正向擊穿電壓的igbt。對(duì)稱型igbt多用于交流電路，而不對(duì)稱型igbt多用于直流電路，因?yàn)樗鼈儾恍枰聪蛑С蛛妷骸?

穿通型IGBT (PT-IGBT)與非穿通型IGBT (NPT- IGBT)的區(qū)別

IGBT是電壓控制器件，因此只需要對(duì)柵極施加很小的電壓就可以保持在導(dǎo)通狀態(tài)。由于這些器件是單向的，它們只能在從集電極到發(fā)射極的正向方向上切換電流。IGBT的典型開(kāi)關(guān)電路如下圖所示，將柵極電壓VG加到柵極引腳上，將電動(dòng)機(jī)(M)從電源電壓V+切換到電源電壓V+。電阻Rs大致用于限制通過(guò)電機(jī)的電流。

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IGBT的柵極引腳沒(méi)有施加電壓時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，沒(méi)有電流流過(guò)集電極引腳。當(dāng)加在柵極引腳上的電壓超過(guò)閾值電壓時(shí)，IGBT開(kāi)始導(dǎo)通，集電極電流IG開(kāi)始在集電極和發(fā)射極之間流動(dòng)。集電極電流隨柵極電壓增加，如下圖所示。

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IGBT作為一個(gè)整體兼有BJT和MOS管的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)

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(méi)有輸入電流和低輸入損耗。

柵極驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且便宜，降低了柵極驅(qū)動(dòng)的要求

通過(guò)施加正電壓可以很容易地打開(kāi)它，通過(guò)施加零電壓或稍微負(fù)電壓可以很容易地關(guān)閉它。

具有非常低的導(dǎo)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(kāi)關(guān)速度。

可以使用低控制電壓切換高電流電平。

由于雙極性質(zhì)，增強(qiáng)了傳導(dǎo)性。

更安全

缺點(diǎn)

開(kāi)關(guān)速度低于 MOS管。

單向的，在沒(méi)有附加電路的情況下無(wú)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(jié)構(gòu)，它存在鎖存問(wèn)題。

與 PMOS 管 相比，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)。

類似于晶閘管的 PNPN 結(jié)構(gòu)，它存在鎖存問(wèn)題。

與 PMOS 管 相比，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)。

IGBT被應(yīng)用在各種交流和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上，以及無(wú)管制電源(UPS)，開(kāi)關(guān)電源(SMPS)，牽引電機(jī)控制和感應(yīng)加熱，逆變器，等等各各方面。 如工業(yè)領(lǐng)域中的變頻器，廣泛應(yīng)用IGBT技術(shù)。具體到產(chǎn)品，家用電器領(lǐng)域的變頻空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等。軌道交通領(lǐng)域的高鐵、地鐵、輕軌等。軍工航天領(lǐng)域的飛機(jī)、艦艇等。以及新能源領(lǐng)域的新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等都有非常廣泛的應(yīng)用。

對(duì)新能源車來(lái)說(shuō)，IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半。不僅電機(jī)驅(qū)動(dòng)要用IGBT，新能源的發(fā)電機(jī)和空調(diào)部分一般也需要IGBT。如特斯拉Model 3上，通過(guò)改變電機(jī)的交流電的頻率，來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而精準(zhǔn)的改變車輛行駛的速度和加速能力。電動(dòng)汽車3秒可以加速到100公里的強(qiáng)悍起步能力，就是因?yàn)?strong>交流電機(jī)轉(zhuǎn)速啟動(dòng)特別快，就是IGBT的功勞。

在充電樁上，充電樁從電網(wǎng)上接出來(lái)的電流是標(biāo)準(zhǔn)的220伏交流電，而特斯拉電動(dòng)汽車的電池充電，需要直流電充電，這就需要IGBT將交流電變成直流電，并把電壓提高到電動(dòng)車需要的400伏的電壓上。IGBT的性能直接決定了電動(dòng)車的充電效率和充電速度。

IGBT導(dǎo)通的時(shí)候，能夠承受幾十到幾百安培量級(jí)的電流，當(dāng)斷開(kāi)時(shí)，可以承受幾百到幾千伏的電壓，而且IGBT在巨大的電流電壓下，還能有極高的開(kāi)關(guān)速度，一秒鐘能達(dá)到1萬(wàn)次。因此IGBT的好壞，就直接決定了電動(dòng)汽車的加速快慢，最高時(shí)速是多少，電耗高低，能不能秒級(jí)起跑，能不能平滑變速，能不能穩(wěn)定停車等核心性能全靠IGBT，因此稱IGBT為電動(dòng)汽車的心臟不為過(guò)。而這個(gè)如此重要的核心器件，大小只有我們手指甲蓋大小。

審核編輯：劉清