一、什么是IGBT？

IGBT 是绝缘栅双极晶体管的简称，是一种三端半导体开关器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关。

IGBT 主要用于放大器，用于通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

你可以看到输入侧代表具有栅极端子的 MOS管，输出侧代表具有集电极和发射极的 BJT。

集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。

IGBT的电路符号与等效电路图

二、IGBT内部结构

IGBT 有三个端子（集电极、发射极和栅极）都附有金属层。然而，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。

IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合 PNP 和 NPN 晶体管来实现的，它们构成了 PNPN 排列。

IGBT的内部结构图

三、IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来开启或关闭。

如果正输入电压通过栅极，发射极保持驱动电路开启。另一方面，如果 IGBT 的栅极端电压为零或略为负，则会关闭电路应用。

IGBT 结构图

集电极电流公式

IGBT的工作原理图

四、IGBT的等效电路

IGBT的近似等效电路由 MOS 管和 PNP 晶体管(Q1 )组成,考虑到 n- 漂移区提供的电阻，电阻 Rd已包含在电路中，如下图所示：

IGBT 的近似等效电路

等效电路图的基本结构

IGBT的精确等效电路图

五、IGBT 的特性--静态 VI 特性

下图显示了 n 沟道 IGBT 的静态 VI 特性以及标有参数的电路图，该图与 BJT 的图相似，只是图中保持恒定的参数是 VGE，因为 IGBT 是电压控制器件，而 BJT 是电流控制器件。

IGBT的静态特性图

六、IGBT 的特性--开关特性

IGBT 是电压控制器件，因此它只需要一个很小的电压到栅极即可保持导通状态。

由于是单向器件， IGBT 只能在从集电极到发射极的正向切换电流。IGBT的典型开关电路如下所示，栅极电压 VG施加到栅极引脚以从电源电压 V+ 切换电机 (M)。电阻 Rs 大致用于限制通过电机的电流。

IGBT的典型开关电路图

IGBT 的典型开关特性

七、IGBT 的特性--输入特性

下图可以理解IGBT的输入特性。开始，当没有电压施加到栅极引脚时，IGBT 处于关闭状态，没有电流流过集电极引脚。

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 I G开始在集电极和发射极端子之间流动。集电极电流相对于栅极电压增加，如下图所示。

IGBT的输入特性图

八、IGBT 的特性--输出特性

由于 IGBT 的工作依赖于电压，因此只需要在栅极端子上提供极少量的电压即可保持导通。

IGBT 与双极功率晶体管相反，双极功率晶体管需要在基极区域有连续的基极电流流动以保持饱和。IGBT 是单向器件，这意味着它只能在“正向”（从集电极到发射极）开关。

IGBT 与具有双向电流切换过程的 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向电压不受控制。

在动态条件下，当 IGBT 关闭时， 可能会经历闩锁电流，当连续导通状态驱动电流似乎超过临界值时，这就是闩锁电流。

此外，当栅极-发射极电压低于阈值电压时，会有少量漏电流流过 IGBT ，此时，集电极-发射极电压几乎等于电源电压，因此，四层器件 IGBT 工作在截止区。

IGBT 的输出特性图

九、IGBT 的优缺点

IGBT作为一个整体兼有BJT和MOS管的优点。

1、优点

• 具有更高的电压和电流处理能力。
• 具有非常高的输入阻抗。
• 可以使用非常低的电压切换非常高的电流。
• 电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。
• 栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求
• 通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或负电压可以很容易地关闭它。
• 具有非常低的导通电阻。
• 具有高电流密度，使其能够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 更高的开关速度。
• 可以使用低控制电压切换高电流电平。
• 由于双极性质，增强了传导性。
• 更安全

2、缺点

• 开关速度低于 MOS管。
• 单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。
• 不能阻挡更高的反向电压。
• 比 BJT 和 MOS管 更昂贵。
• 类似于晶闸管的 PNPN 结构，它存在锁存问题。
• 与 PMOS 管 相比，关断时间长。
• 类似于晶闸管的 PNPN 结构，它存在锁存问题。
• 与 PMOS 管 相比，关断时间长。

以上就是关于 IGBT（绝缘栅双极型晶体管)内部结构、工作原理、特性、优缺点等的内容。