读懂 IGBT 工作原理、结构、优缺点、用途

一路上

前言

在我们实际的应用当中最流行和最常见的电子器件就是常见的双极结晶体管BJT和MOS管。虽然BJT和MOS管是最流行最常见的元器件，但是在一些相对较高电流的应用场景中有时还是会受到限制。这个时候，我们的IGBT就派上用场了。那什么是IGBT呢？IGBT的作用是什么呢？IGBT的工作原理、优缺点又有哪些呢？这次我们来好好了解一下什么是IGBT!

一：什么是IGBT？

所谓IGBT 其实便是绝缘栅双极晶体管的一种简称，是一种三端半导体开关的器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关的场景中。通常主要用于放大器以及一些通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

为了方便理解，我们可以把IGBT看作我们很熟悉的BJT和MOS管的融合体。所以，不难看出，IGBT具有BJT的输入特性和MOS管的输出特性。但是与BJT或MOS管相比，绝缘栅双极型晶体管IGBT的优势便在于它提供了一个比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的MOS管输入损耗。所以，IGBT往往有着更好的工作特性。

就像上面说的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合集成体，所以IGBT 的符号也代表相同。如下图所示：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

为了更好了解IGBT,下面我们再来看看它的内部结构：一般，IGBT 有三个端子：集电极、发射极和栅极，他们都是附有金属层。但是，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。IGBT结构其实就相当于是一个四层半导体的器件。四层器件是通过组合 PNP 和 NPN 晶体管来实现的，它们构成了 P-N-P-N 排列。

IGBT内部结构如下图所示：

三：IGBT工作原理

IGBT的工作原理其实很简单，与我们熟悉的 BJT 、MOS管类似：

IGBT 的工作原理其实是通过不断激活和停用其栅极端子来开启、关闭实现的。

如果正输入的电压通过栅极，发射器就会保持驱动电路开启。另一方面，如果 IGBT 的栅极端的电压为零或者为负时，则就会关闭电路应用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率，这也是我们为什么在一些相对较高电流的应用场景中往往选用IGBT的一个主要原因。

下面详细做一个对比：相对于传统的 BJT，我们知道增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同，我们可以将其称为 Beta 并表示为 β。

对于 MOS管，由于没有输入电流，所以栅极端子是主通道承载电流的隔离。通常我们是通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。

下图可以很好地解释IGBT的工作原理，描述IGBT 整个器件工作范围，如图所示：

四、IGBT 的优缺点

既然IGBT作为一个兼有BJT和MOS管的整体，所以往往它的优缺点其实也非常明显，下面是IGBT常见的优缺点。

优点：

1、具有更高的电压和电流处理能力。
2、极高的输入阻抗。
3、可以使用非常低的电压切换非常高的电流。
4、电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。
5、栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求
6、通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。
7、具有非常低的导通电阻。
8、具有高电流密度，使其能够具有更小的芯片尺寸。
9、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益。
10、具有比 BJT 更高的开关速度。
11、可以使用低控制电压切换高电流电平。
12、双极性质，增强了传导性。
13、安全可靠。

缺点：

1、开关速度低于 MOS管。
2、因为是单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。
3、不能阻挡更高的反向电压。
4、比 BJT 和 MOS管价格更高。
5、类似于晶闸管的P-N-P-N结构，因此它存在锁存问题。
6、与 PMOS 管相比，关断时间会更长。
7、与 PMOS 管相比，关断时间更长。

五、IGBT的主要参数

1、集电极-发射极额定电压UCES是IGBT在截止状态下集电极与发射极之间能够承受的最大电压，一般UCES小于或等于器件的雪崩击穿电压。

2、栅极-发射极额定电压UGE是IGBT栅极与发射极之间允许施加的最大电压，通常为20V。栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，其电压不可超过UGE。

3、集电极额定电流IC是IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的最大电流。

4、集电极-发射极饱和电压UCE是IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降。该值越小，则管子的功率损耗越小。

5、开关频率在IGBT的使用说明书中，开关频率是以开通时间tON、下降时间t1和关断时间tOFF给出的，根据这些参数可估算出IGBT的开关频率，一般可达30～40kHz。在变频器中，实际使用的载波频率大多在15kHz以下。

六、IGBT的静态特性曲线

IGBT静态特性曲线包括转移特性曲线和输出特性曲线：其中左侧用于表示IC-VGE关系的曲线叫做转移特性曲线，右侧表示IC-VCE关系的曲线叫做输出特性曲线。

1、转移特性曲线

IGBT的转移特性曲线是指输出集电极电流IC与栅极-发射极电压VGE之间的关系曲线。

为了便于理解，这里我们可通过分析MOSFET来理解IGBT的转移特性。

当VGS=0V时，源极S和漏极D之间相当于存在两个背靠背的pn结，因此不论漏极-源极电压VDS之间加多大或什么极性的电压，总有一个pn结处于反偏状态，漏、源极间没有导电沟道，器件无法导通，漏极电流ID为N+PN+管的漏电流，接近于0。

当0<vgs<vgs（th）时< span="">，栅极电压增加，栅极G和衬底p间的绝缘层中产生电场，使得少量电子聚集在栅氧下表面，但由于数量有限，沟道电阻仍然很大，无法形成有效沟道，漏极电流ID仍然约为0。

当VGS≥VGS（th）时，栅极G和衬底p间电场增强，可吸引更多的电子，使得衬底P区反型，沟道形成，漏极和源极之间电阻大大降低。此时，如果漏源之间施加一偏置电压，MOSFET会进入导通状态。在大部分漏极电流范围内ID与VGS成线性关系，如下图所示。

这里MOSFET的栅源电压VGS类似于IGBT的栅射电压VGE，漏极电流ID类似于IGBT的集电极电流IC。IGBT中，当VGE≥VGE（th）时，IGBT表面形成沟道，器件导通。

2、输出特性曲线

IGBT的输出特性通常表示的是以栅极-发射极电压VGE为参变量时，漏极电流IC和集电极-发射极电压VCE之间的关系曲线。

由于IGBT可等效理解为MOSFET和PNP的复合结构，它的输出特性曲线与MOSFET强相关，因此这里我们依旧以MOSFET为例来讲解其输出特性。

其中当VDS>0且较小时，ID随着VDS的增大而增大，这部分区域在MOSFET中称为可变电阻区，在IGBT中称为非饱和区；

当VDS继续增大，ID-VDS的斜率逐渐减小为0时，该部分区域在MOSFET中称为恒流区，在IGBT中称为饱和区；

当VDS增加到雪崩击穿时，该区域在MOSFET和IGBT中都称为击穿区。

IGBT的栅极-发射极电压VGE类似于MOSFET的栅极-源极电压VGS，集电极电流IC类似于漏极电流ID，集电极-发射极电压VCE类似于漏源电压VDS。

MOSFET与IGBT在线性区之间存在差异（红框所标位置）。

这主要是由于IGBT在导通初期，发射极P+/N-结需要约为0.7V的电压降使得该结从零偏转变为正偏所导致的。

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