本期介紹：本期ROHM君想與大家一同學習絕緣柵雙極晶體管——IGBT，認識其原理及其應用。IGBT是一種功率開關晶體管，它結合了MOSFET和BJT的優點，用于電源和電機控制電路

該絕緣柵雙極晶體管也稱為IGBT的簡稱，是常規的雜交的一些雙極結晶體管，（BJT）和場效應晶體管（MOSFET）使其成為一種理想的半導體開關器件。

IGBT晶體管充分利用了這兩種普通晶體管的優點，高輸入阻抗和高開關速度的MOSFET與低飽和電壓的雙極晶體管，并且將它們組合在一起以產生另一種類型的晶體管開關器件，其被能夠處理大的集電極 - 發射極電流，幾乎沒有柵極電流驅動。

典型的IGBT

該絕緣柵雙極晶體管（IGBT）結合了絕緣柵（因此它的名字的第一部分）技術與常規的雙極型晶體管的輸出性能特性的MOSFET的，（因此它的名字的第二部分）。

這種混合組合的結果是“IGBT晶體管”具有雙極晶體管的輸出開關和導通特性，但是像MOSFET一樣受電壓控制。

IGBT主要用于電力電子應用，如逆變器，轉換器和電源，如果功率雙極和功率MOSFET不能完全滿足固態開關器件的要求。可提供高電流和高壓雙極晶體管，但其開關速度較慢，而功率MOSFET可能具有更高的開關速度，但高壓和高電流器件昂貴且難以實現。

絕緣柵雙極晶體管器件在BJT或MOSFET上獲得的優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，它是與達林頓型配置形式的雙極晶體管集成的FET。

絕緣柵雙極晶體管

我們可以看到，絕緣柵雙極晶體管是一種三端跨導器件，它將絕緣柵極N溝道MOSFET輸入與PNP雙極晶體管輸出相結合，以一種達林頓配置連接。

因此，端子標記為：集電極，發射極和柵極。其兩個端子（CE）與通過電流的電導路徑相關聯，而其第三端子（G）控制該裝置。

絕緣柵雙極晶體管實現的放大量是其輸出信號與其輸入信號之間的比率。對于傳統的雙極結型晶體管（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體場效應晶體管或MOSFET，由于柵極與主載流通道隔離，因此沒有輸入電流。因此，FET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。

該絕緣柵雙極晶體管可以在小信號放大器電路在幾乎相同的方式為BJT或MOSFET型晶體管一起使用。但由于IGBT將BJT的低導通損耗與功率MOSFET的高開關速度相結合，因此存在最佳的固態開關，非常適用于電力電子應用。

此外，IGBT具有比等效MOSFET 低得多的“導通”電阻R ON。這意味著對于給定的開關電流，雙極輸出結構上的I 2 R下降要低得多。IGBT晶體管的正向阻斷操作與功率MOSFET相同。

當用作靜態控制開關時，絕緣柵雙極晶體管的電壓和電流額定值類似于雙極晶體管。然而，IGBT中隔離柵極的存在使其比BJT更容易驅動，因為需要更少的驅動功率。

通過激活和去激活其柵極端子，絕緣柵極雙極晶體管簡單地“接通”或“斷開”。在柵極和發射極之間施加正輸入電壓信號將使器件保持在“導通”狀態，同時使輸入柵極信號為零或稍微為負將導致其以與雙極晶體管大致相同的方式“關閉”。或eMOSFET。IGBT的另一個優點是它具有比標準MOSFET低得多的通態電阻。

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通，這與BJT不同，BJT要求以足夠的電量連續供應基極電流以保持飽和。

此外，IGBT是單向器件，這意味著它只能在“正向”切換電流，即從集電極到發射極，不像MOSFET具有雙向電流切換功能（正向控制，反向不受控制） 。

絕緣柵雙極晶體管的工作原理和柵極驅動電路與N溝道功率MOSFET非常相似。基本的區別在于，當電流在“ON”狀態下流過器件時，主導電溝道提供的電阻在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點是其高電壓能力，低導通電阻，易于驅動，相對快速的開關速度以及零柵極驅動電流使其成為適中速度的理想選擇高壓應用，如脈沖寬度調制（PWM），變速控制，開關模式電源或太陽能直流 - 交流逆變器以及工作在數百千赫茲范圍內的變頻器應用。

BJT，MOSFET和IGBT之間的一般比較如下表所示。

IGBT比較表

我們已經看到絕緣柵雙極晶體管是具有雙極結型晶體管BJT的輸出特性的半導體開關器件，但是像場效應晶體管MOSFET那樣被控制。

IGBT晶體管的主要優點之一是通過施加正柵極電壓可以將其驅動為“導通”的簡單性，或者通過使柵極信號為零或略微為負而允許其在各種中使用而切換為“關閉”。切換應用程序。它也可以在其線性有源區域中驅動，以用于功率放大器。

由于其較低的導通電阻和導通損耗以及在高頻下切換高壓而不會損壞的能力，絕緣柵雙極晶體管非常適合驅動線圈繞組，電磁鐵和直流電機等感性負載。

審核編輯黃昊宇