絕緣柵雙極晶體管——IGBT，認(rèn)識其原理及其應(yīng)用

絕緣柵雙極晶體管也簡稱為IGBT ，是傳統(tǒng)雙極結(jié)型晶體管(BJT) 和場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的交叉體，使其成為理想的半導(dǎo)體開關(guān)器件。

IGBT晶體管結(jié)合了這兩種常見晶體管的優(yōu)點，即MOSFET的高輸入阻抗和高開關(guān)速度以及雙極晶體管的低飽和電壓，并將它們組合在一起產(chǎn)生另一種類型的晶體管開關(guān)器件，即能夠處理大集電極-發(fā)射極電流，柵極電流驅(qū)動幾乎為零。

典型 IGBT

絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 將 MOSFET 的絕緣柵（因此其名稱的第一部分）技術(shù)與傳統(tǒng)雙極晶體管（因此其名稱的第二部分）的輸出性能特征相結(jié)合。

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，但像 MOSFET 一樣受電壓控制。

IGBT 主要用于電力電子應(yīng)用，例如逆變器、轉(zhuǎn)換器和電源，而功率雙極和功率 MOSFET 不能完全滿足固態(tài)開關(guān)器件的需求。高電流和高電壓雙極型器件是可用的，但它們的開關(guān)速度很慢，而功率MOSFET可能具有更高的開關(guān)速度，但高電壓和高電流器件價格昂貴且難以實現(xiàn)。

絕緣柵雙極型晶體管器件相對于 BJT 或 MOSFET 的優(yōu)勢在于，它提供比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更大的功率增益，并且 MOSFET 具有更高的工作電壓和更低的輸入損耗。實際上，它是一個與雙極晶體管集成的 FET，采用如圖所示的達(dá)林頓型配置形式。

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 N 溝道 MOSFET 輸入與以達(dá)林頓配置類型連接的 PNP 雙極晶體管輸出結(jié)合在一起。

因此，終端被標(biāo)記為：Collector 、 Emitter和Gate 。其兩個端子 ( CE ) 與通過電流的電導(dǎo)路徑相關(guān)聯(lián)，而其第三個端子 ( G ) 控制器件。

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)，增益量大約等于輸出電流與輸入電流的比率，稱為 Beta。

對于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或MOSFET，由于柵極與主載流溝道隔離，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，對于 IGBT 也是如此。那么我們可以將IGBT視為功率BJT，其基極電流由MOSFET提供。

絕緣柵雙極晶體管可用于小信號放大器電路，其方式與 BJT 或 MOSFET 型晶體管大致相同。但由于 IGBT 結(jié)合了 BJT 的低傳導(dǎo)損耗和功率 MOSFET 的高開關(guān)速度，因此存在一種最佳固態(tài)開關(guān)，非常適合電力電子應(yīng)用。

R ON比等效 MOSFET低得多。這意味著對于給定開關(guān)電流，雙極輸出結(jié)構(gòu)上的I2 R壓降要低得多。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，絕緣柵雙極晶體管具有與雙極晶體管相似的額定電壓和電流。然而，IGBT 中隔離柵極的存在使得其驅(qū)動比 BJT 簡單得多，因為所需的驅(qū)動功率要少得多。

絕緣柵雙極晶體管只需通過激活和停用其柵極端子即可“開啟”或“關(guān)閉”。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“ON”狀態(tài)，而使輸入柵極信號為零或稍微為負(fù)將導(dǎo)致其以與雙極晶體管大致相同的方式關(guān)閉“OFF”或 eMOSFET。IGBT 的另一個優(yōu)點是它的通態(tài)溝道電阻比標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 低得多。

IGBT特性

由于 IGBT 是電壓控制器件，因此它只需要柵極上有一個小電壓即可維持器件導(dǎo)通，這與 BJT 不同，BJT 需要連續(xù)提供足夠量的基極電流以維持飽和。

此外，IGBT 是一種單向器件，這意味著它只能在“正向”（即從集電極到發(fā)射極）上切換電流，這與具有雙向電流切換功能（正向受控而反向不受控）的 MOSFET 不同。

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。基本區(qū)別在于，在 IGBT 中，當(dāng)電流流過處于“ON”狀態(tài)的器件時，主傳導(dǎo)通道提供的電阻要小得多。因此，與同等功率 MOSFET 相比，額定電流要高得多。

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、相對較快的開關(guān)速度以及零柵極驅(qū)動電流使其成為中等速度的良好選擇、高壓應(yīng)用，例如脈寬調(diào)制 (PWM)、變速控制、開關(guān)模式電源或太陽能供電的 DC-AC 逆變器和在數(shù)百千赫范圍內(nèi)運行的變頻器應(yīng)用。

下表給出了 BJT、MOSFET 和 IGBT 之間的一般比較。

IGBT 比較表

我們已經(jīng)看到，絕緣柵雙極晶體管是一種半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 的輸出特性，但其控制方式類似于金屬氧化物場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。

IGBT 晶體管的主要優(yōu)點之一是簡單性，可以通過施加正柵極電壓將其驅(qū)動為“ON”，或者通過使柵極信號為零或略為負(fù)來將其切換為“OFF”，從而使其可用于多種應(yīng)用。切換應(yīng)用程序。它還可以在其線性有源區(qū)域中驅(qū)動，以用于功率放大器。

絕緣柵雙極晶體管具有較低的通態(tài)電阻和傳導(dǎo)損耗，并且能夠在高頻下切換高電壓而不會造成損壞，因此非常適合驅(qū)動線圈繞組、電磁體和直流電機等感性負(fù)載。

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審核編輯：湯梓紅