本期介紹：本期ROHM君想與大家一同學(xué)習(xí)絕緣柵雙極晶體管——IGBT，認識其原理及其應(yīng)用。IGBT是一種功率開關(guān)晶體管，它結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)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(guī)的雜交的一些雙極結(jié)晶體管，（BJT）和場效應(yīng)晶體管（MOSFET）使其成為一種理想的半導(dǎo)體開關(guān)器件。

IGBT晶體管充分利用了這兩種普通晶體管的優(yōu)點，高輸入阻抗和高開關(guān)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(chǎn)生另一種類型的晶體管開關(guān)器件，其被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。

典型的IGBT

該絕緣柵雙極晶體管（IGBT）結(jié)合了絕緣柵（因此它的名字的第一部分）技術(shù)與常規(guī)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(jié)果是“IGBT晶體管”具有雙極晶體管的輸出開關(guān)和導(dǎo)通特性，但是像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，如果功率雙極和功率MOSFET不能完全滿足固態(tài)開關(guān)器件的要求?？商峁└唠娏骱?a target="_blank">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昂貴且難以實現(xiàn)。

絕緣柵雙極晶體管器件在BJT或MOSFET上獲得的優(yōu)勢在于它提供了比標(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(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，以一種達林頓配置連接。

因此，端子標(biāo)記為：集電極，發(fā)射極和柵極。其兩個端子（CE）與通過電流的電導(dǎo)路徑相關(guān)聯(lián)，而其第三端子（G）控制該裝置。

絕緣柵雙極晶體管實現(xiàn)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(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。

對于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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。

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(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具有比等效MOSFET 低得多的“導(dǎo)通”電阻R ON。這意味著對于給定的開關(guān)電流，雙極輸出結(jié)構(gòu)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(dāng)用作靜態(tài)控制開關(guān)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(qū)動，因為需要更少的驅(qū)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(fā)射極之間施加正輸入電壓信號將使器件保持在“導(dǎo)通”狀態(tài)，同時使輸入柵極信號為零或稍微為負將導(dǎo)致其以與雙極晶體管大致相同的方式“關(guān)閉”。或eMOSFET。IGBT的另一個優(yōu)點是它具有比標(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(dǎo)通，這與BJT不同，BJT要求以足夠的電量連續(xù)供應(yīng)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(fā)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(qū)動電路與N溝道功率MOSFET非常相似?；镜膮^(qū)別在于，當(dāng)電流在“ON”狀態(tài)下流過器件時，主導(dǎo)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(yōu)點是其高電壓能力，低導(dǎo)通電阻，易于驅(qū)動，相對快速的開關(guān)速度以及零柵極驅(qū)動電流使其成為適中速度的理想選擇高壓應(yīng)用，如脈沖寬度調(diào)制（PWM），變速控制，開關(guān)模式電源或太陽能直流 - 交流逆變器以及工作在數(shù)百千赫茲范圍內(nèi)的變頻器應(yīng)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(jīng)看到絕緣柵雙極晶體管是具有雙極結(jié)型晶體管BJT的輸出特性的半導(dǎo)體開關(guān)器件，但是像場效應(yīng)晶體管MOSFET那樣被控制。

IGBT晶體管的主要優(yōu)點之一是通過施加正柵極電壓可以將其驅(qū)動為“導(dǎo)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(guān)閉”。切換應(yīng)用程序。它也可以在其線性有源區(qū)域中驅(qū)動，以用于功率放大器。

由于其較低的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)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(qū)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