绝缘栅双极型晶体管（IGBT）：原理、特性及应用

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）：原理、特性及应用

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https://finance.sina.com.cn/tech/roll/2025-03-04/doc-inennqmm8612865.shtml

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种功率开关晶体管，结合了MOSFET和BJT的优点，用于电源和电机控制电路。本文将详细介绍IGBT的工作原理、特性及应用。

IGBT的基本结构

绝缘栅双极型晶体管是传统双极结型晶体管（BJT）和场效应晶体管（MOSFET）的交叉产物，使其成为理想的半导体开关器件。IGBT晶体管结合了这两种常见晶体管的最佳部分，即MOSFET的高输入阻抗和高开关速度以及双极晶体管的低饱和电压，并将它们结合在一起，产生另一种类型的晶体管开关器件，能够处理大的集电极-发射极电流，而几乎不需要门极电流驱动。

我们可以看到，绝缘栅双极型晶体管是一种三端跨导器件，它将绝缘栅N沟道MOSFET输入与PNP双极晶体管输出连接在一起，采用达林顿型配置。因此，其端子标记为：集电极、发射极和门极。其中两个端子（C-E）与传导路径相关，传递电流，而第三个端子（G）控制器件。

IGBT的工作原理

IGBT实现的放大量是其输出信号与输入信号之间的比率。对于传统的双极结型晶体管（BJT），增益量大约等于输出电流与输入电流的比率，称为Beta。对于金属氧化物半导体场效应晶体管或MOSFET，由于栅极与主要载流通道隔离，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的比率，使其成为跨导器件，IGBT也是如此。然后我们可以将IGBT视为一个由MOSFET提供基极电流的功率BJT。

IGBT的应用特点

IGBT主要用于电力电子应用，如逆变器、转换器和电源，这些应用对固态开关器件的要求不能完全由功率双极晶体管和功率MOSFET满足。高电流和高电压的双极晶体管是可用的，但它们的开关速度较慢，而功率MOSFET可能具有更高的开关速度，但高电压和高电流器件昂贵且难以实现。

绝缘栅双极型晶体管相对于BJT或MOSFET的优势在于，它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益，同时结合了MOSFET的更高电压操作和更低的输入损耗。实际上，它是一个与双极晶体管集成的FET，采用达林顿型配置，如图所示。

IGBT的特性比较

IGBT的“导通状态”电阻RON比等效MOSFET低得多。这意味着对于给定的开关电流，双极输出结构上的I2R压降要低得多。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，绝缘栅双极型晶体管的电压和电流额定值与双极晶体管相似。然而，IGBT中存在绝缘栅，使得其驱动比BJT简单得多，因为所需的驱动功率要少得多。

绝缘栅双极型晶体管只需通过激活和去激活其门极端子即可“开启”或“关闭”。在门极和发射极之间施加正输入电压信号将使器件保持“开启”状态，而使输入门极信号为零或略微负将使器件“关闭”，这与双极晶体管或eMOSFET非常相似。IGBT的另一个优点是它的导通状态沟道电阻比标准MOSFET低得多。

IGBT的应用场景

使用绝缘栅双极型晶体管相对于其他类型晶体管器件的主要优势在于其高电压能力、低导通电阻、易于驱动、相对较快的开关速度以及零门极驱动电流，使其成为中速、高电压应用的良好选择，如脉宽调制（PWM）、变速控制、开关模式电源或太阳能DC-AC逆变器和频率转换器应用，工作在数百千赫兹范围内。

总结

我们已经看到，绝缘栅双极型晶体管是一种半导体开关器件，具有双极结型晶体管（BJT）的输出特性，但像金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）一样受控。IGBT晶体管的主要优势之一是其驱动的简单性，通过施加正门极电压可以“开启”，或通过使门极信号为零或略微负来“关闭”，使其可用于各种开关应用。它也可以在其线性有源区域中驱动，用于功率放大器。

由于其较低的导通状态电阻和导通损耗以及在高频率下切换高电压而不会损坏的能力，绝缘栅双极型晶体管非常适合驱动感性负载，如线圈绕组、电磁铁和直流电机。