一文讀懂IGBT

在我們實際的應(yīng)用當(dāng)中最流行和最常見的電子器件就是常見的雙極結(jié)晶體管BJT和MOS管。雖然BJT和MOS管是最流行最常見的元器件，但是在一些相對較高電流的應(yīng)用場景中有時還是會受到限制。這個時候，我們的IGBT就派上用場了。那什么是IGBT呢?IGBT的作用是什么呢?IGBT的工作原理、優(yōu)缺點又有哪些呢?這次我們來好好了解一下什么是IGBT!

一：什么是IGBT?

所謂IGBT 其實便是絕緣柵雙極晶體管的一種簡稱，是一種三端半導(dǎo)體開關(guān)的器件，可用于多種電子設(shè)備中的高效快速開關(guān)的場景中。通常主要用于放大器以及一些通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復(fù)雜的波形。

為了方便理解，我們可以把IGBT看作我們很熟悉的BJT和MOS管的融合體。所以，不難看出，IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。但是與BJT或MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管IGBT的優(yōu)勢便在于它提供了一個比標(biāo)準(zhǔn)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。所以，IGBT往往有著更好的工作特性。

就像上面說的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合集成體，所以IGBT 的符號也代表相同。如下圖所示：可以看到輸入側(cè)代表具有柵極端子的 MOS管，輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極的 BJT。集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子，柵極是控制開關(guān)操作的控制端子。

IGBT的電路符號與等效電路圖

二：IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了更好了解IGBT,下面我們再來看看它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：一般，IGBT 有三個端子：集電極、發(fā)射極和柵極，他們都是附有金屬層。但是，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。IGBT結(jié)構(gòu)其實就相當(dāng)于是一個四層半導(dǎo)體的器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實現(xiàn)的，它們構(gòu)成了 P-N-P-N 排列。如下圖所示，小編簡單繪制了一下IGBT的一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

三：IGBT工作原理

現(xiàn)在我們來談?wù)処GBT的一個工作原理，其實很簡單，與我們熟悉的 BJT 、MOS管類似：

IGBT 的工作原理其實是通過不斷激活和停用其柵極端子來開啟、關(guān)閉實現(xiàn)的。

如果正輸入的電壓通過柵極，發(fā)射器就會保持驅(qū)動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵極端的電壓為零或者為負時，則就會關(guān)閉電路應(yīng)用。

正如我們所了解的，由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現(xiàn)的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率，這也是我們?yōu)槭裁丛谝恍┫鄬^高電流的應(yīng)用場景中往往選用IGBT的一個主要原因。

下面我們詳細做一個對比：相對于傳統(tǒng)的 BJT，我們知道增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們可以將其稱為 Beta 并表示為 β。

對于 MOS管，由于沒有輸入電流，所以柵極端子是主通道承載電流的隔離。通常我們是通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

小編繪制了一個圖，可以很好地解釋IGBT的工作原理，描述IGBT 整個器件工作范圍，如下圖所示：

四、IGBT 的優(yōu)缺點

既然IGBT作為一個兼有BJT和MOS管的整體，所以往往它的優(yōu)缺點其實也非常明顯，下面我給大家羅列一下IGBT常見的優(yōu)缺點。

優(yōu)點：

1、具有更高的電壓和電流處理能力。

2、極高的輸入阻抗。

3、可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

4、電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

5、柵極驅(qū)動電路簡單且便宜，降低了柵極驅(qū)動的要求

6、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(guān)閉它。

7、具有非常低的導(dǎo)通電阻。

8、具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。

10、具有比 BJT 更高的開關(guān)速度。

11、可以使用低控制電壓切換高電流電平。

12、雙極性質(zhì)，增強了傳導(dǎo)性。

13、安全可靠。

缺點：

1、開關(guān)速度低于 MOS管。

2、因為是單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

3、不能阻擋更高的反向電壓。

4、比 BJT 和 MOS管價格更高。

5、類似于晶閘管的P-N-P-N結(jié)構(gòu)，因此它存在鎖存問題。

6、與 PMOS 管相比，關(guān)斷時間會更長。

7、與 PMOS 管相比，關(guān)斷時間更長。

以上便是對IGBT的一個詳細介紹，其實現(xiàn)在的工業(yè)環(huán)境里，IGBT已經(jīng)得到了大量的運用，希望通過以上的描述，能給讀者對IGBT有個初步的認(rèn)識，在以后的運用里能有所幫助。

審核編輯：湯梓紅