在(絕緣柵雙極型晶體管)IGBT出來之前，最受歡迎和常用的功率電子開關(guān)器件是雙極結(jié)晶體管(BJT)和場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。然而，這兩種組件在高電流應(yīng)用中都有一些限制。因此，我們轉(zhuǎn)向了另一種受歡迎的功率電子開關(guān)器件，稱為 IGBT。

你可以將 IGBT 看作 BJT 和 MOSFET 的結(jié)合體，這些組件具有 BJT 的輸入特性和 MOSFET 的輸出特性。在本文中，我們將熟悉 IGBT 的基本知識、工作原理以及如何在電路設(shè)計中使用它們。

什么是 IGBT?

IGBT 是絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)的縮寫。它是一種具有三個端子的半導(dǎo)體開關(guān)器件，可用于在多種電子設(shè)備中實現(xiàn)快速切換和高效能。這些器件主要用于放大器中，通過脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行復(fù)雜波形的切換和處理。下面展示了 IGBT 的典型符號及其圖像。

正如前面提到的，IGBT 是 BJT 和 MOSFET 的結(jié)合體。IGBT 的符號也體現(xiàn)了這一點，輸入側(cè)代表一個帶有柵極終端的 MOSFET，輸出側(cè)則代表一個帶有集電極和發(fā)射極的 BJT。集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子，而柵極是控制端子，用于控制開關(guān)操作。

IGBT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IGBT 可以通過由兩個晶體管和一個 MOSFET 組成的等效電路來構(gòu)造，因為 IGBT 具有 PNP 晶體管、NPN 晶體管和 MOSFET 的組合輸出。IGBT 將晶體管的低飽和電壓與 MOSFET 的高輸入阻抗和切換速度結(jié)合在一起。通過這種組合所得到的結(jié)果提供了雙極晶體管的輸出開關(guān)和導(dǎo)通特性，但電壓的控制方式類似于 MOSFET。

由于 IGBT 是 MOSFET 和 BJT 的結(jié)合體，因此也有不同的名稱。IGBT 的不同名稱包括絕緣柵晶體管(IGT)、金屬氧化物絕緣柵晶體管(MOSIGT)、增益調(diào)制場效應(yīng)晶體管(GEMFET)、導(dǎo)電調(diào)制場效應(yīng)晶體管(COMFET)。

IGBT 的工作原理

IGBT 具有三個連接到三個不同金屬層的端子，柵極終端的金屬層通過二氧化硅(SiO2)層與半導(dǎo)體絕緣。IGBT 是由四層半導(dǎo)體夾在一起構(gòu)成的?？拷姌O的層是 p+ 基底層，之上是 n- 層，靠近發(fā)射極的是另一層 p 層，在 p 層內(nèi)部還有 n+ 層。p+ 層和 n- 層之間的結(jié)稱為結(jié) J2，而 n- 層和 p 層之間的結(jié)稱為結(jié) J1。IGBT 的結(jié)構(gòu)如下面的圖所示。

為了理解 IGBT 的工作原理，考慮一個電壓源 VG 正連接到柵極終端，相對于發(fā)射極。再考慮一個電壓源 VCC 連接在發(fā)射極和集電極之間，其中集電極相對于發(fā)射極為正。由于電壓源 VCC，結(jié) J1 將被正偏置，而結(jié) J2 將被反偏置。由于 J2 處于反偏置狀態(tài)，因此在 IGBT 內(nèi)部(從集電極到發(fā)射極)不會有電流流動。

最初，假設(shè)沒有電壓施加到柵極終端，此時 IGBT 將處于非導(dǎo)通狀態(tài)。現(xiàn)在如果我們增加施加的柵極電壓，由于 SiO2 層的電容效應(yīng)，負(fù)離子將在層的上方積聚，而正離子將在 SiO2 層的下方積聚。這將導(dǎo)致在 p 區(qū)插入負(fù)電荷載流子，施加的電壓 VG 越高，插入的負(fù)電荷載流子越多。這將導(dǎo)致 J2 結(jié)之間形成通道，使得電流能夠從集電極流向發(fā)射極。電流的流動在圖片中表示為電流路徑，當(dāng)施加的柵極電壓 VG 增加時，從集電極到發(fā)射極的電流流量也會增加。

IGBT 的類型

IGBT 根據(jù) n+ 緩沖層可分為兩種類型，具有 n+ 緩沖層的 IGBT 被稱為穿透型 IGBT(PT-IGBT)，而沒有 n+ 緩沖層的 IGBT 被稱為非穿透型 IGBT(NPT-IGBT)。

根據(jù)其特性，NPT-IGBT 和 PT-IGBT 被稱為對稱和非對稱 IGBT。對稱 IGBT 是指具有相等的正向和反向擊穿電壓的器件，而非對稱 IGBT 是指其反向擊穿電壓小于正向擊穿電壓的器件。對稱 IGBT 通常用于交流電路，而非對稱 IGBT 則主要用于直流電路，因為它們不需要支持反向電壓。

IGBT 作為電路的工作

由于 IGBT 是 BJT 和 MOSFET 的結(jié)合體，我們在這里看一下它們作為電路圖的工作。下面的圖展示了 IGBT 的內(nèi)部電路，包括兩個 BJT 和一個 MOSFET 以及一個 JFET。IGBT 的柵極、集電極和發(fā)射極引腳在下方標(biāo)記。

PNP 晶體管的集電極通過 JFET 連接到 NPN 晶體管，JFET 連接 PN P 晶體管的集電極和基極。這些晶體管以特定方式排列，形成一個寄生的晶閘管結(jié)構(gòu)，以創(chuàng)建一個負(fù)反饋回路。電阻 RB 被放置在 NPN 晶體管的基極和發(fā)射極端子之間，以確保晶閘管不會鎖定，從而導(dǎo)致 IGBT 的鎖定。這里使用的 JFET 將表示任何兩個 IGBT 單元之間的電流結(jié)構(gòu)，并允許 MOSFET 并支持大部分電壓。

IGBT 的切換特性

IGBT 是一種電壓控制器件，因此它只需要施加小電壓到柵極即可保持在導(dǎo)通狀態(tài)。由于這些是單向器件，它們只能在從集電極到發(fā)射極的正向方向上切換電流。下面展示了 IGBT 的典型切換電路，柵極電壓 VG 被施加到柵極引腳上，以將電動機(jī)(M)從供電電壓 V+ 切換。電阻 Rs 大致用于限制電動機(jī)的電流。

IGBT 的輸入特性可以從下面的圖中理解。最初，當(dāng)沒有電壓施加到柵極引腳時，IGBT 處于關(guān)閉狀態(tài)，集電極引腳沒有電流流過。當(dāng)施加到柵極引腳的電壓超過閾值電壓時，IGBT 開始導(dǎo)通，集電極電流 IG 開始在集電極和發(fā)射極之間流動。集電極電流相對于柵極電壓增加，如下圖所示。

IGBT 的輸出特性有三個階段，最初，當(dāng)柵極電壓 VGE 為零時，器件處于關(guān)閉狀態(tài)，這稱為截止區(qū)。當(dāng) VGE 增加且小于閾值電壓時，將有小的泄漏電流流過器件，但該器件仍處于截止區(qū)。當(dāng) VGE 增加到超過閾值電壓時，器件進(jìn)入主動區(qū)，電流開始流過器件。隨著 VGE 的增加，電流流動也會增加，如上圖所示。

IGBT 的應(yīng)用

IGBT 廣泛應(yīng)用于各種場合，如交流和直流電動機(jī)驅(qū)動、不受調(diào)節(jié)的電源(UPS)、開關(guān)模式電源(SMPS)、牽引電動機(jī)控制和感應(yīng)加熱、逆變器，用于將絕緣柵場效應(yīng)晶體管與雙極功率晶體管組合成單個設(shè)備等。

IGBT 的封裝

IGBT 有不同種類的封裝，來自不同公司的名稱各異。例如，特瑞諾(TRINNO)封裝包括 TO-262、TO-251、TO-273、TO-274、TO-220、TO-220-3 FP、TO-247、TO-247AD。表面貼裝封裝包括 TO-263、TO-252等。