浅析IGBT成为热门的技术原因及应用

近年IGBT这个专业名词非常的热。电子、半导体、汽车、能源、电力、控制系统等行业，好像都涉及到了这个名词。IGBT算是一个比较新的技术，通过其高效的电源管理能力，确实正在对这此行业进行升级换代。本文我们来了解一下IGBT之所以成为热门的技术原因，和它的应用。  

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）英文的字面翻译是绝缘栅双极晶体管。它是一种三端半导体开关器件，可用于多种类型的电子器件中实现高效率的快速开关，用于开关/处理具有脉宽调制(PWM)的复杂波形。IGBT的典型符号及其图像如下所示。

 

常见的电子开关元器件是 BJT （双极结晶体管）和 MOSFET，但是在高电流的应用境中，这两种元件就有所限制，这个时候 IGBT 就派上用场了。

IGBT可以用由两个晶体管和MOSFET组成的等效电路来构造，因为IGBT具有PNP晶体管、NPN晶体管和MOSFET组合的输出。

IGBT结合了晶体管的低饱和电压和MOSFET的高输入阻抗和开关速度。这种组合的结果提供了双极晶体管的输出开关和导通特性，但电压像MOSFET一样被控制。  

 

IGBT因组合方式不同，有多种不同的名字：

IGT（Insulated Gate Transistor）绝缘栅晶体管

MOSIGT(Metal Oxide Insulated Gate Transistor)金属氧化物绝缘栅晶体管

GEMFET(Gain Modulated Field Effect Transistor)增益调制场效应晶体管

COMFET( Conductively Modulated Field Effect Transistor)传导调制场效应晶体管  

IGBT的三个终端分别连接在三个不同的金属层上，栅极终端的金属层通过一层二氧化硅(SIO2)与半导体绝缘。IGBT由4层半导体夹在一起构成。靠近集电极的层是p+衬底层，它上面是n层，另一个p层靠近发射极，在p层里面是n+层。p+层与n层之间的结称为J2结，n层与p层之间的结称为J1结。IGBT的结构如图下所示。  

 

我们这样来理解IGBT的工作原理：一个电压源VG，它相对于发射极正接在栅极端子上。连接在发射极和集电极上的其他电压源VCC，其中集电极与发射极保持正相关。由于电压源VCC，结J1将是正向偏置，而结J2将是反向偏置。由于J2处于反向偏置，因此不会有任何电流在IGBT内部流动(从集电极到发射极)。  

最初，考虑栅极端子没有施加电压，在此阶段IGBT将处于不导电状态。现在，如果我们增加施加的栅极电压，由于在SiO2层上的电容效应，负离子将在该层的上部积累，而正离子将在SiO2层的下部积累。这将导致在p区插入负电荷载流子，施加的VG电压越高，插入的负电荷载流子就越大。这将导致J2结之间形成通道，允许电流从集电极流向发射极。电流在图中表示为电流路径，当施加栅极电压VG增加时，从集电极到发射极的电流也增加。  

根据n+缓冲层将IGBT分为两种，具有n+缓冲层的IGBT称为穿孔型IGBT (PT-IGBT)，没有n+缓冲层的IGBT称为无穿孔型IGBT (NPT- IGBT)。   根据NPT- IGBT和PT-IGBT的特性，分别被称为对称型和非对称型IGBT。对称型igbt具有相同的正向和反向击穿电压。非对称igbt是反向击穿电压小于正向击穿电压的igbt。对称型igbt多用于交流电路，而不对称型igbt多用于直流电路，因为它们不需要反向支持电压。  

穿通型IGBT (PT-IGBT)与非穿通型IGBT (NPT- IGBT)的区别

穿通IGBT (PT-IGBT)	无穿孔- IGBT (NPT- IGBT)
它们在短路故障模式下不那么坚固，热稳定性也较差	这些在短路故障模式下更坚固，有更多的热稳定性。
集电极是一个重掺杂的P+层	集电极是一个轻掺杂的p层。
它的通态电压的正温度系数很小，因此并行操作需要非常小心和注意。	通态电压温度系数为强正，因而易于并联。
关断损耗对温度更敏感，因此在较高的温度下关断损耗显著增大。	关断损耗对温度的敏感性较低，因此，它将随温度保持不变。

IGBT是电压控制器件，因此只需要对栅极施加很小的电压就可以保持在导通状态。由于这些器件是单向的，它们只能在从集电极到发射极的正向方向上切换电流。IGBT的典型开关电路如下图所示，将栅极电压VG加到栅极引脚上，将电动机(M)从电源电压V+切换到电源电压V+。电阻Rs大致用于限制通过电机的电流。  

 

IGBT的栅极引脚没有施加电压时，IGBT处于关断状态，没有电流流过集电极引脚。当加在栅极引脚上的电压超过阈值电压时，IGBT开始导通，集电极电流IG开始在集电极和发射极之间流动。集电极电流随栅极电压增加，如下图所示。  

 

IGBT作为一个整体兼有BJT和MOS管的优点。  

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，通过施加零电压或稍微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  

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。

 IGBT被应用在各种交流和直流电机驱动器上，以及无管制电源(UPS)，开关电源(SMPS)，牵引电机控制和感应加热，逆变器，等等各各方面。 如工业领域中的变频器，广泛应用IGBT技术。具体到产品，家用电器领域的变频空调、洗衣机、冰箱等。轨道交通领域的高铁、地铁、轻轨等。军工航天领域的飞机、舰艇等。以及新能源领域的新能源汽车、风力发电等都有非常广泛的应用。  

对新能源车来说，IGBT约占电机驱动系统成本的一半。不仅电机驱动要用IGBT，新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。如特斯拉Model 3上，通过改变电机的交流电的频率，来改变电机的转速，从而精准的改变车辆行驶的速度和加速能力。电动汽车3秒可以加速到100公里的强悍起步能力，就是因为交流电机转速启动特别快，就是IGBT的功劳。  

在充电桩上，充电桩从电网上接出来的电流是标准的220伏交流电，而特斯拉电动汽车的电池充电，需要直流电充电，这就需要IGBT将交流电变成直流电，并把电压提高到电动车需要的400伏的电压上。IGBT的性能直接决定了电动车的充电效率和充电速度。  

IGBT导通的时候，能够承受几十到几百安培量级的电流，当断开时，可以承受几百到几千伏的电压，而且IGBT在巨大的电流电压下，还能有极高的开关速度，一秒钟能达到1万次。因此IGBT的好坏，就直接决定了电动汽车的加速快慢，最高时速是多少，电耗高低，能不能秒级起跑，能不能平滑变速，能不能稳定停车等核心性能全靠IGBT，因此称IGBT为电动汽车的心脏不为过。而这个如此重要的核心器件，大小只有我们手指甲盖大小。

审核编辑：刘清