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在實際應用中最流行和最常見的電子元器件是雙極結型晶體管 BJT 和 MOS管。
IGBT實物圖+電路符號圖
你可以 把 IGBT 看作 BJT 和 MOS 管的融合體，IGBT具有 BJT 的輸入特性和 MOS 管的輸出特性 。
與 BJT 或 MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 的優勢在于它提供了比標準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。
一、什么是IGBT?
IGBT 是絕緣柵雙極晶體管的簡稱，是一種三端半導體開關器件，可用于多種電子設備中的高效快速開關。
IGBT 主要用于 放大器 ，用于通過脈沖寬度調制 (PWM) 切換/處理復雜的波形。
你可以看到輸入側代表具有柵極端子的 MOS管，輸出側代表具有集電極和發射極的 BJT。
集電極和發射極是導通端子，柵極是控制開關操作的控制端子。
IGBT的電路符號與等效電路圖
二、IGBT內部結構
IGBT 有三個端子(集電極、發射極和柵極)都附有金屬層。然而，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。
IGBT結構是一個四層半導體器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實現的，它們構成了 PNPN 排列。
IGBT的內部結構圖
如上圖所示，最靠近集電極區的層是 (p+) 襯底，即 注入區 ;在它上面是 N 漂移區域 ，包括 N 層。注入區將大部分載流子(空穴電流)從 (p+) 注入 N- 層。
漂移區的厚度決定了 IGBT 的電壓阻斷能力。
漂移區域的上面是主體區域，它由 (p) 基板組成，靠近發射極，在主體區域內部，有 (n+) 層。
注入區域和 N 漂移區域之間的連接點是 J2。類似地，N-區域 和 主體區域之間的結點是結點 J1。
注意：IGBT 的結構在拓撲上類似于“MOS”柵極的晶閘管。但是，晶閘管動作和功能是可抑制的，這意味著在 IGBT 的整個器件工作范圍內只允許晶體管動作。
IGBT 比晶閘管更可取，因為晶閘管等待過零的快速切換。
三、IGBT工作原理
IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關閉。
如果正輸入電壓通過柵極，發射極保持驅動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵極端電壓為零或略為負，則會關閉電路應用。
由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管 ，因此它實現的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率。
對于傳統的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。
另一方面，對于 MOS管，沒有輸入電流，因為柵極端子是主通道承載電流的隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。
IGBT 結構圖
如下圖所示，當集電極相對于發射極處于正電位時，N 溝道 IGBT 導通，而柵極相對于發射極也處于足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開始從集電極流向發射極。
IGBT 中的集電極電流 Ic 由兩個分量 Ie和 Ih 組成。Ie 是由于注入的電子通過注入層、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發射極的電流。Ih 是通過 Q1 和體電阻 Rb從集電極流向發射極的空穴電流。因此
盡管 Ih幾乎可以忽略不計，因此 Ic ≈ Ie。
在 IGBT 中觀察到一種特殊現象，稱為 IGBT 的 閂鎖 。這發生在集電極電流超過某個閾值(ICE)。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對集電極電流的控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關閉。
現在要關斷 IGBT，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強制換流的情況。如果不盡快關閉設備，可能會損壞設備。
集電極電流公式
下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個器件工作范圍。
IGBT的工作原理圖
IGBT 僅在柵極端子上有電壓供應時工作，它是柵極電壓，即 VG 。
如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會增加，然后它會增加柵極-發射極電壓 ( VGE? )。
因此，柵極-發射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC? ) 降低了集電極到發射極電壓 ( VCE )。
注意：IGBT 具有類似于二極管的電壓降，通常為 2V 量級，僅隨著電流的對數增加。
IGBT 使用續流二極管傳導反向電流，續流二極管放置在 IGBT 的集電極-發射極端子上。
四、IGBT的等效電路
IGBT的近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管 (Q1 )組成,考慮到 n- 漂移區提供的電阻，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示：
IGBT 的近似等效電路
仔細檢查 IGBT 的基本結構，可以得出這個等效電路，基本結構如下圖所示。
等效電路圖的基本結構
穿通 IGBT、PT-IGBT：穿通 IGBT、PT-IGBT 在發射極接觸處具有 N+ 區。
觀察上面顯示 IGBT 的基本結構，可以看到到從集電極到發射極存在另一條路徑，這條路徑是集電極、p+、n- 、 p(n 通道)、n+ 和發射極。
因此，在 IGBT 結構中存在另一個晶體管 Q2作為 n – pn+，因此，我們需要在近似等效電路中加入這個晶體管 Q2以獲得精確的等效電路。
IGBT 的精確等效電路如下所示：
IGBT的精確等效電路圖
該電路中的 Rby 是 p 區對空穴電流的流動提供的電阻。
眾所周知，IGBT是 MOS 管的輸入和 BJT 的輸出的組合，它具有與N溝道MOS管和達林頓配置的PNP BJT等效的結構，因此也可以加入漂移區的電阻。
五、IGBT 的特性--靜態 VI 特性
下圖顯示了 n 溝道 IGBT 的靜態 VI 特性以及標有參數的電路圖 ，該圖與 BJT 的圖相似，只是圖中保持恒定的參數是 VGE，因為 IGBT 是電壓控制器件，而 BJT 是電流控制器件。
IGBT的靜態特性圖
當 IGBT 處于關閉模式時(VCE為正且 VGE < VGET)，反向電壓被 J 2 阻斷，當它被反向偏置時，即 VCE為負，J 1 阻斷電壓。
六、IGBT 的特性--開關特性
IGBT 是電壓控制器件，因此它只需要一個很小的電壓到柵極即可保持導通狀態。
由于是單向器件， IGBT 只能在從集電極到發射極的正向切換電流。 IGBT的典型開關電路如下所示，柵極電壓 VG施加到柵極引腳以從電源電壓 V+ 切換電機 (M)。電阻 Rs 大致用于限制通過電機的電流。
IGBT的典型開關電路圖
下圖顯示了 IGBT 的典型開關特性 。
IGBT 的典型開關特性
導通時間( t on)：通常由延遲時間 (t dn ) 和上升時間 (t r ) 兩部分組成。
延遲時間 (t dn )：定義為集電極電流從漏電流 ICE上升到 0.1 IC(最終集電極電流)和集電極發射極電壓從 VCE下降到 0.9VCE的時間。
上升時間 (t r )：定義為集電極電流從 0.1 IC上升到 IC以及集電極-發射極電壓從 0.9V CE下降到 0.1 VCE的時間。
關斷時間( t off):由三個部分組成，延遲時間 (t df )、初始下降時間 (t f1 ) 和最終下降時間 (t f2 )。
延遲時間 (t df )：定義為集電極電流從 I C下降到 0.9 I C并且 V CE開始上升的時間。
初始下降時間 (t f1 )：集電極電流從 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集電極發射極電壓上升到 0.1 V CE的時間。
最終下降時間 (t f2 )：定義為集電極電流從 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最終值 V CE的時間。
關斷時間公式
導通時間公式
七、IGBT 的特性--輸入特性
下圖可以理解IGBT的輸入特性。開始，當沒有電壓施加到柵極引腳時，IGBT 處于關閉狀態，沒有電流流過集電極引腳。
當施加到柵極引腳的電壓超過閾值電壓時，IGBT 開始導通，集電極電流 I G開始在集電極和發射極端子之間流動。集電極電流相對于柵極電壓增加，如下圖所示。
IGBT的輸入特性圖
八、IGBT 的特性--輸出特性
由于 IGBT 的工作依賴于電壓，因此只需要在柵極端子上提供極少量的電壓即可保持導通。
IGBT 與雙極功率晶體管相反，雙極功率晶體管需要在基極區域有連續的基極電流流動以保持飽和。IGBT 是單向器件，這意味著它只能在“正向”(從集電極到發射極)開關。
IGBT 與具有雙向電流切換過程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向電壓不受控制。
在動態條件下，當 IGBT 關閉時， 可能會經歷閂鎖電流，當連續導通狀態驅動電流似乎超過臨界值時，這就是閂鎖電流。
此外，當柵極-發射極電壓低于閾值電壓時，會有少量漏電流流過 IGBT ，此時，集電極-發射極電壓幾乎等于電源電壓，因此，四層器件 IGBT 工作在截止區。
IGBT 的輸出特性圖
IGBT 的輸出特性分為三個階段：
第一階段：當柵極電壓 VGE 為零時，IGBT 處于 關斷狀態 ，這稱為截止區。
第二階段：當 VGE 增加時，如果它小于閾值電壓，那么會有很小的漏電流流過 IGBT ，但I GBT 仍然 處于截止區 。
第三階段：當 VGE增加到超過閾值電壓時，IGBT 進入 有源區 ，電流開始流過 IGBT 。如上圖所示， 電流將隨著電壓 VGE的增加而增加 。
九、IGBT 的優缺點
IGBT作為一個整體兼有BJT和MOS管的優點。
1、優點
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，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。
柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求
通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或負電壓可以很容易地關閉它。
具有非常低的導通電阻。
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 更高的開關速度。
可以使用低控制電壓切換高電流電平。
由于雙極性質，增強了傳導性。
更安全
2、缺點
開關速度低于 MOS管。
單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理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 結構，它存在鎖存問題。
與 PMOS 管 相比，關斷時間長。
類似于晶閘管的 PNPN 結構，它存在鎖存問題。
與 PMOS 管 相比，關斷時間長。
以上就是關于 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)內部結構、工作原理、特性、優缺點等的內容。
審核編輯：湯梓紅
工商網監
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