IGBT的定义及特性

IGBT是一种功率开关晶体管，它结合了MOSFET和BJT的优点，用于电源和电机控制电路

绝缘栅双极晶体管简称为IGBT，是传统双极结型晶体管，（BJT）和场效应晶体管之间的交叉点，（MOSFET）使其成为半导体开关器件的理想选择。

IGBT晶体管采用这两种常见晶体管的最佳部分，即MOSFET的高输入阻抗和高开关速度利用双极晶体管的低饱和电压，将它们组合在一起，产生另一种类型的晶体管开关器件，能够处理大的集电极 - 发射极电流，几乎没有栅极电流驱动。

典型IGBT

绝缘栅双极晶体管，（IGBT）结合了绝缘栅极（因此其名称的第一部分）技术MOSFET具有传统双极晶体管的输出性能特征（因此是其名称的第二部分）。

这种混合组合的结果是“IGBT晶体管”具有输出切换和双极晶体管的导通特性，但像MOSFET一样受电压控制。

IGBT主要用于电力电子应用，如逆变器，转换器和电源，固态开关器件的要求是功率双极和功率MOSFET没有完全满足。可提供高电流和高压双极晶体管，但其开关速度较慢，而功率MOSFET可能具有更高的开关速度，但高压和高电流器件价格昂贵且难以实现。

绝缘栅双极晶体管器件在BJT或MOSFET上获得的优势在于它提供了比标准双极型晶体管更高的功率增益，以及更高的电压工作和更低的MOSFET输入损耗。实际上，它是一个集成了双极晶体管的FET，其形式为达林顿型，如图所示。

绝缘栅双极晶体管

我们可以看到绝缘栅双极晶体管是一个三端跨导器件，它将绝缘栅极N沟道MOSFET输入与PNP双极晶体管输出相结合，以一种达林顿配置连接。

因此，终端标记为：收集器，发射器和门。其两个端子（ CE ）与传导电流的电导路径相关联，而其第三个端子（ G ）控制器件。

绝缘栅双极晶体管实现的放大量是其输出信号与其输入信号之间的比值。对于传统的双极结型晶体管（BJT），增益量近似等于输出电流与输入电流之比，称为Beta。

对于金属氧化物半导体场效应晶体管或MOSFET，由于栅极与主载流通道隔离，因此没有输入电流。因此，FET的增益等于输出电流变化与输入电压变化之比，使其成为跨导器件，IGBT也是如此。然后我们可以将IGBT视为功率BJT，其基极电流由MOSFET提供。

绝缘栅双极晶体管可用于小信号放大器电路，其方式与BJT或MOSFET型晶体管大致相同。但由于IGBT将BJT的低导通损耗与功率MOSFET的高开关速度相结合，因此存在最佳的固态开关，非常适用于电力电子应用。

此外，IGBT具有比同等MOSFET低得多的“通态”电阻 R ON 。这意味着对于给定的开关电流，双极输出结构上的 I 2 R 降低得多。 IGBT晶体管的正向阻断操作与功率MOSFET相同。

当用作静态控制开关时，绝缘栅双极晶体管的电压和电流额定值与双极晶体管相似。然而，IGBT中隔离栅极的存在使得驱动比BJT简单得多，因为需要更少的驱动功率。

绝缘栅双极晶体管简单地“开”或“关” “通过激活和停用其Gate终端。在栅极和发射极之间施加正输入电压信号将使器件保持在“导通”状态，同时使输入栅极信号为零或略微为负将导致其以与双极晶体管大致相同的方式“关闭”。或eMOSFET。 IGBT的另一个优点是它具有比标准MOSFET低得多的通态电阻。

IGBT特性

由于IGBT是一个电压控制器件，它只需要栅极上的一个小电压来维持器件的导通，这与BJT不同，BJT要求基极电流持续供电足够数量保持饱和。

此外，IGBT是一个单向器件，这意味着它只能在“正向”切换电流，即从集电极到发射极，而不像具有双向电流切换功能的MOSFET（在向前方向控制并在反向方向不受控制）。

绝缘栅双极晶体管的工作原理和栅极驱动电路与N沟道功率MOSFET非常相似。基本的区别在于，当电流在“ON”状态下流过器件时，主导电通道提供的电阻在IGBT中非常小。因此，与等效功率MOSFET相比，额定电流要高得多。

与其他类型的晶体管器件相比，使用绝缘栅双极晶体管的主要优点是高电压能力，低导通电阻，易于驱动，相对快速的开关速度以及零栅极驱动电流，使其成为中等速度，高压应用的理想选择，如脉冲宽度调制（PWM），变速控制，工作在数百千赫兹范围内的开关电源或太阳能直流 - 交流逆变器和变频器应用。

下表给出了BJT，MOSFET和IGBT的一般比较。

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IGBT比较表

我们已经看到绝缘栅双极晶体管是半导体开关器件，具有双极结型晶体管BJT的输出特性，但受控制像金属氧化物场效应晶体管MOSFET。

IGBT晶体管的主要优点之一是通过施加正极可以将其“导通”的简单性栅极电压，或通过使栅极信号为零或略微为负而切换为“OFF”，允许其用于各种开关应用。它也可以在其线性有源区域中驱动，用于功率放大器。

具有较低的导通电阻和传导损耗以及在高频下切换高电压而不会损坏的能力使绝缘栅双极晶体管非常适合驱动线圈绕组，电磁铁和直流电机等感性负载。