IGBT的定義及特性

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

絕緣柵雙極晶體管簡稱為IGBT，是傳統(tǒng)雙極結(jié)型晶體管，（BJT）和場效應(yīng)晶體管之間的交叉點，（MOSFET）使其成為半導(dǎo)體開關(guān)器件的理想選擇。

IGBT晶體管采用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)速度利用雙極晶體管的低飽和電壓，將它們組合在一起，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，幾乎沒有柵極電流驅(qū)動。

典型IGBT

絕緣柵雙極晶體管，（IGBT）結(jié)合了絕緣柵極（因此其名稱的第一部分）技術(shù)MOSFET具有傳統(tǒng)雙極晶體管的輸出性能特征（因此是其名稱的第二部分）。

這種混合組合的結(jié)果是“IGBT晶體管”具有輸出切換和雙極晶體管的導(dǎo)通特性，但像MOSFET一樣受電壓控制。

IGBT主要用于電力電子應(yīng)用，如逆變器，轉(zhuǎn)換器和電源，固態(tài)開關(guān)器件的要求是功率雙極和功率MOSFET沒有完全滿足?？商峁└唠娏骱?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓雙極晶體管，但其開關(guān)速度較慢，而功率MOSFET可能具有更高的開關(guān)速度，但高壓和高電流器件價格昂貴且難以實現(xiàn)。

絕緣柵雙極晶體管器件在BJT或MOSFET上獲得的優(yōu)勢在于它提供了比標準雙極型晶體管更高的功率增益，以及更高的電壓工作和更低的MOSFET輸入損耗。實際上，它是一個集成了雙極晶體管的FET，其形式為達林頓型，如圖所示。

絕緣柵雙極晶體管

我們可以看到絕緣柵雙極晶體管是一個三端跨導(dǎo)器件，它將絕緣柵極N溝道MOSFET輸入與PNP雙極晶體管輸出相結(jié)合，以一種達林頓配置連接。

因此，終端標記為：收集器，發(fā)射器和門。其兩個端子（ CE ）與傳導(dǎo)電流的電導(dǎo)路徑相關(guān)聯(lián)，而其第三個端子（ G ）控制器件。

絕緣柵雙極晶體管實現(xiàn)的放大量是其輸出信號與其輸入信號之間的比值。對于傳統(tǒng)的雙極結(jié)型晶體管（BJT），增益量近似等于輸出電流與輸入電流之比，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之比，使其成為跨導(dǎo)器件，IGBT也是如此。然后我們可以將IGBT視為功率BJT，其基極電流由MOSFET提供。

絕緣柵雙極晶體管可用于小信號放大器電路，其方式與BJT或MOSFET型晶體管大致相同。但由于IGBT將BJT的低導(dǎo)通損耗與功率MOSFET的高開關(guān)速度相結(jié)合，因此存在最佳的固態(tài)開關(guān)，非常適用于電力電子應(yīng)用。

此外，IGBT具有比同等MOSFET低得多的“通態(tài)”電阻 R ON 。這意味著對于給定的開關(guān)電流，雙極輸出結(jié)構(gòu)上的 I 2 R 降低得多。 IGBT晶體管的正向阻斷操作與功率MOSFET相同。

當用作靜態(tài)控制開關(guān)時，絕緣柵雙極晶體管的電壓和電流額定值與雙極晶體管相似。然而，IGBT中隔離柵極的存在使得驅(qū)動比BJT簡單得多，因為需要更少的驅(qū)動功率。

絕緣柵雙極晶體管簡單地“開”或“關(guān)” “通過激活和停用其Gate終端。在柵極和發(fā)射極之間施加正輸入電壓信號將使器件保持在“導(dǎo)通”狀態(tài)，同時使輸入柵極信號為零或略微為負將導(dǎo)致其以與雙極晶體管大致相同的方式“關(guān)閉”?；騟MOSFET。 IGBT的另一個優(yōu)點是它具有比標準MOSFET低得多的通態(tài)電阻。

IGBT特性

由于IGBT是一個電壓控制器件，它只需要柵極上的一個小電壓來維持器件的導(dǎo)通，這與BJT不同，BJT要求基極電流持續(xù)供電足夠數(shù)量保持飽和。

此外，IGBT是一個單向器件，這意味著它只能在“正向”切換電流，即從集電極到發(fā)射極，而不像具有雙向電流切換功能的MOSFET（在向前方向控制并在反向方向不受控制）。

絕緣柵雙極晶體管的工作原理和柵極驅(qū)動電路與N溝道功率MOSFET非常相似。基本的區(qū)別在于，當電流在“ON”狀態(tài)下流過器件時，主導(dǎo)電通道提供的電阻在IGBT中非常小。因此，與等效功率MOSFET相比，額定電流要高得多。

與其他類型的晶體管器件相比，使用絕緣柵雙極晶體管的主要優(yōu)點是高電壓能力，低導(dǎo)通電阻，易于驅(qū)動，相對快速的開關(guān)速度以及零柵極驅(qū)動電流，使其成為中等速度，高壓應(yīng)用的理想選擇，如脈沖寬度調(diào)制（PWM），變速控制，工作在數(shù)百千赫茲范圍內(nèi)的開關(guān)電源或太陽能直流 - 交流逆變器和變頻器應(yīng)用。

下表給出了BJT，MOSFET和IGBT的一般比較。

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IGBT比較表

我們已經(jīng)看到絕緣柵雙極晶體管是半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有雙極結(jié)型晶體管BJT的輸出特性，但受控制像金屬氧化物場效應(yīng)晶體管MOSFET。

IGBT晶體管的主要優(yōu)點之一是通過施加正極可以將其“導(dǎo)通”的簡單性柵極電壓，或通過使柵極信號為零或略微為負而切換為“OFF”，允許其用于各種開關(guān)應(yīng)用。它也可以在其線性有源區(qū)域中驅(qū)動，用于功率放大器。

具有較低的導(dǎo)通電阻和傳導(dǎo)損耗以及在高頻下切換高電壓而不會損壞的能力使絕緣柵雙極晶體管非常適合驅(qū)動線圈繞組，電磁鐵和直流電機等感性負載。