浮思特 | 揭开(IGBT)的神秘面纱，结构原理与应用解析

在(绝缘栅双极型晶体管)IGBT出来之前，最受欢迎和常用的功率电子开关器件是双极结晶体管(BJT)和场效应晶体管(MOSFET)。然而，这两种组件在高电流应用中都有一些限制。因此，我们转向了另一种受欢迎的功率电子开关器件，称为 IGBT。

你可以将 IGBT 看作 BJT 和 MOSFET 的结合体，这些组件具有 BJT 的输入特性和 MOSFET 的输出特性。在本文中，我们将熟悉 IGBT 的基本知识、工作原理以及如何在电路设计中使用它们。

什么是 IGBT?

IGBT 是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)的缩写。它是一种具有三个端子的半导体开关器件，可用于在多种电子设备中实现快速切换和高效能。这些器件主要用于放大器中，通过脉宽调制(PWM)进行复杂波形的切换和处理。下面展示了 IGBT 的典型符号及其图像。

正如前面提到的，IGBT 是 BJT 和 MOSFET 的结合体。IGBT 的符号也体现了这一点，输入侧代表一个带有栅极终端的 MOSFET，输出侧则代表一个带有集电极和发射极的 BJT。集电极和发射极是导通端子，而栅极是控制端子，用于控制开关操作。

IGBT 的内部结构

IGBT 可以通过由两个晶体管和一个 MOSFET 组成的等效电路来构造，因为 IGBT 具有 PNP 晶体管、NPN 晶体管和 MOSFET 的组合输出。IGBT 将晶体管的低饱和电压与 MOSFET 的高输入阻抗和切换速度结合在一起。通过这种组合所得到的结果提供了双极晶体管的输出开关和导通特性，但电压的控制方式类似于 MOSFET。

由于 IGBT 是 MOSFET 和 BJT 的结合体，因此也有不同的名称。IGBT 的不同名称包括绝缘栅晶体管(IGT)、金属氧化物绝缘栅晶体管(MOSIGT)、增益调制场效应晶体管(GEMFET)、导电调制场效应晶体管(COMFET)。

IGBT 的工作原理

IGBT 具有三个连接到三个不同金属层的端子，栅极终端的金属层通过二氧化硅(SiO2)层与半导体绝缘。IGBT 是由四层半导体夹在一起构成的。靠近集电极的层是 p+ 基底层，之上是 n- 层，靠近发射极的是另一层 p 层，在 p 层内部还有 n+ 层。p+ 层和 n- 层之间的结称为结 J2，而 n- 层和 p 层之间的结称为结 J1。IGBT 的结构如下面的图所示。

为了理解 IGBT 的工作原理，考虑一个电压源 VG 正连接到栅极终端，相对于发射极。再考虑一个电压源 VCC 连接在发射极和集电极之间，其中集电极相对于发射极为正。由于电压源 VCC，结 J1 将被正偏置，而结 J2 将被反偏置。由于 J2 处于反偏置状态，因此在 IGBT 内部(从集电极到发射极)不会有电流流动。

最初，假设没有电压施加到栅极终端，此时 IGBT 将处于非导通状态。现在如果我们增加施加的栅极电压，由于 SiO2 层的电容效应，负离子将在层的上方积聚，而正离子将在 SiO2 层的下方积聚。这将导致在 p 区插入负电荷载流子，施加的电压 VG 越高，插入的负电荷载流子越多。这将导致 J2 结之间形成通道，使得电流能够从集电极流向发射极。电流的流动在图片中表示为电流路径，当施加的栅极电压 VG 增加时，从集电极到发射极的电流流量也会增加。

IGBT 的类型

IGBT 根据 n+ 缓冲层可分为两种类型，具有 n+ 缓冲层的 IGBT 被称为穿透型 IGBT(PT-IGBT)，而没有 n+ 缓冲层的 IGBT 被称为非穿透型 IGBT(NPT-IGBT)。

根据其特性，NPT-IGBT 和 PT-IGBT 被称为对称和非对称 IGBT。对称 IGBT 是指具有相等的正向和反向击穿电压的器件，而非对称 IGBT 是指其反向击穿电压小于正向击穿电压的器件。对称 IGBT 通常用于交流电路，而非对称 IGBT 则主要用于直流电路，因为它们不需要支持反向电压。

IGBT 作为电路的工作

由于 IGBT 是 BJT 和 MOSFET 的结合体，我们在这里看一下它们作为电路图的工作。下面的图展示了 IGBT 的内部电路，包括两个 BJT 和一个 MOSFET 以及一个 JFET。IGBT 的栅极、集电极和发射极引脚在下方标记。

PNP 晶体管的集电极通过 JFET 连接到 NPN 晶体管，JFET 连接 PN P 晶体管的集电极和基极。这些晶体管以特定方式排列，形成一个寄生的晶闸管结构，以创建一个负反馈回路。电阻 RB 被放置在 NPN 晶体管的基极和发射极端子之间，以确保晶闸管不会锁定，从而导致 IGBT 的锁定。这里使用的 JFET 将表示任何两个 IGBT 单元之间的电流结构，并允许 MOSFET 并支持大部分电压。

IGBT 的切换特性

IGBT 是一种电压控制器件，因此它只需要施加小电压到栅极即可保持在导通状态。由于这些是单向器件，它们只能在从集电极到发射极的正向方向上切换电流。下面展示了 IGBT 的典型切换电路，栅极电压 VG 被施加到栅极引脚上，以将电动机(M)从供电电压 V+ 切换。电阻 Rs 大致用于限制电动机的电流。

IGBT 的输入特性可以从下面的图中理解。最初，当没有电压施加到栅极引脚时，IGBT 处于关闭状态，集电极引脚没有电流流过。当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时，IGBT 开始导通，集电极电流 IG 开始在集电极和发射极之间流动。集电极电流相对于栅极电压增加，如下图所示。

IGBT 的输出特性有三个阶段，最初，当栅极电压 VGE 为零时，器件处于关闭状态，这称为截止区。当 VGE 增加且小于阈值电压时，将有小的泄漏电流流过器件，但该器件仍处于截止区。当 VGE 增加到超过阈值电压时，器件进入主动区，电流开始流过器件。随着 VGE 的增加，电流流动也会增加，如上图所示。

IGBT 的应用

IGBT 广泛应用于各种场合，如交流和直流电动机驱动、不受调节的电源(UPS)、开关模式电源(SMPS)、牵引电动机控制和感应加热、逆变器，用于将绝缘栅场效应晶体管与双极功率晶体管组合成单个设备等。

IGBT 的封装

IGBT 有不同种类的封装，来自不同公司的名称各异。例如，特瑞诺(TRINNO)封装包括 TO-262、TO-251、TO-273、TO-274、TO-220、TO-220-3 FP、TO-247、TO-247AD。表面贴装封装包括 TO-263、TO-252等。