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

絕緣柵雙極晶體管簡(jiǎn)稱為IGBT，是傳統(tǒng)雙極結(jié)型晶體管，（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管之間的交叉點(diǎn)，（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(dòng)。

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。可提供高電流和高壓雙極晶體管，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(jià)格昂貴且難以實(shí)現(xiàn)。

絕緣柵雙極晶體管器件在BJT或MOSFET上獲得的優(yōu)勢(shì)在于它提供了比標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際上，它是一個(gè)集成了雙極晶體管的FET，其形式為達(dá)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(gè)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(dá)林頓配置連接。

因此，終端標(biāo)記為：收集器，發(fā)射器和門。其兩個(gè)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(gè)端子（ G ）控制器件。

絕緣柵雙極晶體管實(shí)現(xiàn)的放大量是其輸出信號(hào)與其輸入信號(hào)之間的比值。對(duì)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(duì)于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(hào)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(duì)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(dāng)用作靜態(tài)控制開關(guān)時(shí)，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(dòng)比BJT簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樾枰俚尿?qū)動(dòng)功率。

絕緣柵雙極晶體管簡(jiǎn)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(hào)將使器件保持在“導(dǎo)通”狀態(tài)，同時(shí)使輸入柵極信號(hào)為零或略微為負(fù)將導(dǎo)致其以與雙極晶體管大致相同的方式“關(guān)閉”。或eMOSFET。 IGBT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它具有比標(biāo)準(zhǔn)MOSFET低得多的通態(tài)電阻。

IGBT特性

由于IGBT是一個(gè)電壓控制器件，它只需要柵極上的一個(gè)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(gè)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(dòng)電路與N溝道功率MOSFET非常相似。基本的區(qū)別在于，當(dāng)電流在“ON”狀態(tài)下流過器件時(shí)，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(diǎn)是高電壓能力，低導(dǎo)通電阻，易于驅(qū)動(dòng)，相對(duì)快速的開關(guān)速度以及零柵極驅(qū)動(dòng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET。

IGBT晶體管的主要優(yōu)點(diǎn)之一是通過施加正極可以將其“導(dǎo)通”的簡(jiǎn)單性柵極電壓，或通過使柵極信號(hào)為零或略微為負(fù)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(dòng)，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(huì)損壞的能力使絕緣柵雙極晶體管非常適合驅(qū)動(dòng)線圈繞組，電磁鐵和直流電機(jī)等感性負(fù)載。