需要学习的还有它—绝缘栅双极晶体管

本期介绍：本期ROHM君想与大家一同学习绝缘栅双极晶体管——IGBT，认识其原理及其应用。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

该绝缘栅双极晶体管也称为IGBT的简称，是常规的杂交的一些双极结晶体管，（BJT）和场效应晶体管（MOSFET）使其成为一种理想的半导体开关器件。

IGBT晶体管充分利用了这两种普通晶体管的优点，高输入阻抗和高开关速度的MOSFET与低饱和电压的双极晶体管，并且将它们组合在一起以产生另一种类型的晶体管开关器件，其被能够处理大的集电极 - 发射极电流，几乎没有栅极电流驱动。

典型的IGBT

该绝缘栅双极晶体管（IGBT）结合了绝缘栅（因此它的名字的第一部分）技术与常规的双极型晶体管的输出性能特性的MOSFET的，（因此它的名字的第二部分）。

这种混合组合的结果是“IGBT晶体管”具有双极晶体管的输出开关和导通特性，但是像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，如果功率双极和功率MOSFET不能完全满足固态开关器件的要求。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，它是与达林顿型配置形式的双极晶体管集成的FET。

绝缘栅双极晶体管

我们可以看到，绝缘栅双极晶体管是一种三端跨导器件，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，端子标记为：集电极，发射极和栅极。其两个端子（CE）与通过电流的电导路径相关联，而其第三端子（G）控制该装置。

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率。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。

该绝缘栅双极晶体管可以在小信号放大器电路在几乎相同的方式为BJT或MOSFET型晶体管一起使用。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具有比等效MOSFET 低得多的“导通”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下降要低得多。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类似于双极晶体管。然而，IGBT中隔离栅极的存在使其比BJT更容易驱动，因为需要更少的驱动功率。

通过激活和去激活其栅极端子，绝缘栅极双极晶体管简单地“接通”或“断开”。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稍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要求以足够的电量连续供应基极电流以保持饱和。

此外，IGBT是单向器件，这意味着它只能在“正向”切换电流，即从集电极到发射极，不像MOSFET具有双向电流切换功能（正向控制，反向不受控制） 。

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，主导电沟道提供的电阻在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其高电压能力，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适中速度的理想选择高压应用，如脉冲宽度调制（PWM），变速控制，开关模式电源或太阳能直流 - 交流逆变器以及工作在数百千赫兹范围内的变频器应用。

BJT，MOSFET和IGBT之间的一般比较如下表所示。

IGBT比较表

 

设备 特性	功率 双极	功率 MOSFET	IGBT
额定电压	高<1kV	高<1kV	很高> 1kV
目前评级	高<500A	低<200A	高> 500A
输入驱动器	电流，h FE 20-200	电压，V GS 3-10V	电压，V GE 4-8V
输入阻抗	低	高	高
输出阻抗	低	介质	低
切换速度	慢（美国）	快速（nS）	介质
成本	低	介质	高

 

我们已经看到绝缘栅双极晶体管是具有双极结型晶体管BJT的输出特性的半导体开关器件，但是像场效应晶体管MOSFET那样被控制。

IGBT晶体管的主要优点之一是通过施加正栅极电压可以将其驱动为“导通”的简单性，或者通过使栅极信号为零或略微为负而允许其在各种中使用而切换为“关闭”。切换应用程序。它也可以在其线性有源区域中驱动，以用于功率放大器。

由于其较低的导通电阻和导通损耗以及在高频下切换高压而不会损坏的能力，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。

审核编辑 黄昊宇