晶体管，作为一种基于半导体的电子器件，其主要功能是放大电信号或通过开关控制这些信号。在晶体管的大家族中，绝缘栅双极晶体管（IGBT）尤为特别，因为它融合了双极型晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的特性，兼具二者的优势。

IGBT，全称Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种广泛应用于开关控制的半导体器件。它结合了MOSFET的高开关速度和高阻抗特性，以及BJT的高增益和低饱和电压优势。这种独特的结合，使得IGBT成为一个高效率的电压控制半导体，能够在极低的栅极电流驱动下，实现集电极-发射极间的大电流流通。

尽管IGBT在控制上依赖于MOSFET，呈现出电压控制的特性，类似于标准的MOSFETs，但它同时也保留了BJT的输出传输特性。这种卓越的性能组合，使IGBT成为各种电子和电力系统中的关键组件，特别是在那些需要高效率和高性能开关的场合。

#01

IGBT的内部结构

IGBT，作为一种先进的半导体器件，具有三个关键的端子：发射极、集电极和栅极（发射极emitter、集电极collector和栅极gate）。每个端子都配备了金属层，其中栅极端子的金属层上覆盖有一层二氧化硅，这是其独特的结构特点之一。

从结构上来看，逆变器IGBT是一种复杂的四层半导体器件，它通过巧妙地结合PNP和NPN晶体管，形成了独特的PNPN排列。

这种结构设计不仅赋予了IGBT高效的开关性能，还使其在电压阻断能力方面表现出色。

具体来说，IGBT的结构从集电极侧开始，最靠近的是（p+）衬底，也称为注入区。注入区上方是N漂移区，包含N层，这一区域的主要作用是允许大部分载流子（空穴电流）从（p+）注入到N-层。N漂移区的厚度对于决定IGBT的电压阻断能力至关重要。

在N漂移区的上方，是体区，由（p）衬底构成，靠近发射极。在体区内部，有一个（n+）层。注入区与N漂移区之间的连接点被称为J2结，而N区和体区之间的连接点则是J1结。

值得注意的是，逆变器IGBT的结构在拓扑上与MOS门控晶闸管相似，但二者在操作和功能上有显著差异。与晶闸管相比，IGBT在操作上更为灵活，因为它在整个设备操作范围内只允许晶体管操作，而不需要像晶闸管那样在零点交叉时等待快速开关。这种特性使得IGBT在逆变器等应用中更加受到青睐，因为它能够提供更高效、更可靠的开关性能。

#02

IGBT等效电路和符号

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种结合了MOSFET和双极型晶体管（BJT）特性的先进半导体器件。它利用了MOSFET的高开关速度和BJT的低饱和电压特性，制造出一种既能够快速开关又能处理大电流的晶体管。IGBT的 “绝缘栅” 一词反映了其继承了MOSFET的高输入阻抗特性，同时它也是一种电压控制器件，这一点同样与MOSFET相似。而“双极晶体管” 这一术语则表明IGBT也融合了BJT的输出特性。

在IGBT的等效电路中，可以看到它结合了N沟道MOSFET和PNP晶体管。N沟道MOSFET负责驱动PNP晶体管，其中栅极来自MOSFET，而集电极和发射极则来自PNP晶体管。在PNP晶体管中，集电极和发射极构成了导通路径，当IGBT被切换到接通状态时，这条路径就会导通并承载电流。

对于BJT，增益是通过将输出电流除以输入电流来计算的，表示为Beta（β）：β = 输出电流/输入电流。然而，MOSFET是一个电压控制器件，其栅极与电流传导路径是隔离的，因此MOSFET的增益是输出电压变化与输入电压变化的比率。这一特点同样适用于IGBT，其增益是输出电流变化与输入栅极电压变化的比率。由于IGBT的高电流能力，BJT的高电流实际上是由MOSFET的栅极电压控制的。

IGBT的符号包括了晶体管的集电极-发射极部分和MOSFET的栅极部分。当IGBT处于导通或开关“接通” 模式时，电流从集电极流向发射极。在IGBT中，栅极到发射极之间的电压差称为Vge，而集电极到发射极之间的电压差称为Vce。由于在集电极和发射极中的电流流动相对相同：Ie=Ic，因此Vce非常低。

#03

IGBT相关参数

以下是一些IGBT的数学公式，这些方程和参数对于包含IGBT的电路的分析和设计是基础的。

集电极电流是从IGBT的集电极流向发射极的电流。它也可以使用欧姆定律来确定。这里，Vce代表集电极-发射极电压，Rl是负载电阻。=/

2. 栅极电流（Ig）：

栅极电流是激活或关闭IGBT所需的电流。它可以使用栅极电压和栅源电容（Cgs）来计算：=⋅/，其中 dVgs/dt是栅源电压随时间的变化率。

3. 开关损耗（Ps）：

IGBT中的开关损耗来自于开启和关闭转换期间的能量耗散。这些损耗由下面的公式确定：=0.5⋅⋅⋅⋅(+)

其中 Vce 是集电极-发射极电压，Ic 是集电极电流，fsw 是开关频率，Eon 和 Eoff 是开启和关闭能量。

4. 正向电压降（Vf）：

正向电压降是IGBT在导通状态下的电压，Vce(sat) 代表饱和电压：=+()

5. 功率耗散（Pd）：

它通过提到的公式计算，这里 Vce 是集电极-发射极电压，Ic 是集电极电流。 =⋅

6. 栅极电荷（Qg）：

栅极电荷是将IGBT从关闭转换到打开所需的总电荷。它与栅极电流和栅源电压有关：Qg=∫(Igdt)其中 Ig 是栅极电流，积分是在整个开关时间上进行的。

7. 结温（Tj）：

IGBT的结温可以通过考虑功率耗散和热阻来估算。这里 Ta 是环境温度，Pd 是功率耗散，Rth 是热阻。 =+(⋅ℎ)

#04

IGBT相关特性

绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为一种电压控制器件，其操作原理与MOSFET类似。在IGBT中，只需在栅极终端施加一个很小的电压，就能启动电流的传导过程。这种设计使得IGBT能够高效地控制电流的流动。

IGBT的一个关键特性是它可以从集电极向发射极切换电流，但这个过程只能在一个方向上进行，即正向切换。这种单向导通特性使得IGBT在需要精确控制电流方向的电路中非常有用。

在实际的IGBT开关电路中，通常会对栅极施加一个小电压以控制电流的流动。例如，在一个电机控制电路中，IGBT可以用来从正电压源向电机切换电流。为了保护电路和电机，通常会在电路中包含一个电阻，用于控制流经电机的电流，防止电流过大而损坏设备。

这种设计不仅提高了电路的效率和可靠性，还使得IGBT成为电力电子应用中的关键组件，尤其是在电机控制和电力转换系统中。通过精确控制IGBT的栅极电压，可以实现对电流的高效和精确控制，从而优化整个系统的性能。

4.1

输入特性

下图显示了IGBT的输入特性。它是栅极引脚上施加的电压与流经集电极引脚的电流之间的图形。

最初，当栅极引脚没有施加电压时，IGBT处于关闭状态，且没有电流流经集电极引脚。当施加到栅极引脚的电压超过阈值电压时，逆变器IGBT开始导通，集电极电流IC开始在集电极和发射极之间流动。集电极电流相对于栅极电压的增加情况如下图所示。

在上面的图像中，显示了IGBT的传输特性。它与PMOSFET几乎相同。当Vge（栅极-发射极电压）大于IGBT规格所规定的阈值时，IGBT将进入“接通”状态。

当栅极引脚没有施加电压时，不会有电流流过IGBT。在这种情况下，晶体管将保持关闭状态。然而，当在栅极终端施加电压时，电流会保持零一段时间。当电压超过阈值电压时，器件将开始导通，电流将从集电极流向发射极终端。

当栅极-发射极电压（VGE）小于阈值电压（VGE(th)）时，IGBT处于截止状态，集电极电流（IC）接近零。随着VGE增加并超过VGE(th)，IGBT开始导通，IC随之增加。在VGE(sat)时，IGBT进入饱和状态，IC增加不多，因为IGBT的跨导（输出特性线的斜率）会减小。

IGBT的输入特性曲线通常显示了器件的开关行为，包括其输入阻抗和如何通过改变栅极电压来控制集电极电流。这些特性对于设计IGBT驱动电路和预测其在不同负载条件下的行为至关重要。

这个启动过程遵循以下步骤：

1.栅极无电压：IGBT的栅极引脚上没有电压时，IGBT不导通，集电极和发射极之间没有电流流动。

2.施加栅极电压：当在栅极引脚上施加正电压，但这个电压低于IGBT的阈值电压时，IGBT仍然不会导通，集电极电流（IC）保持为零。

3.超过阈值电压：一旦栅极电压达到或超过IGBT的阈值电压，IGBT的通道开始形成，栅极下的电荷载流子（电子）开始积累，形成导电通道。

4.电流开始流动：随着栅极电压的增加，导电通道的电阻降低，集电极电流（IC）开始流动，IGBT进入导通状态。

5.维持导通状态：为了保持IGBT导通，栅极电压需要维持在阈值电压以上。如果栅极电压降至阈值以下，IGBT将关闭，集电极电流将停止流动。

简单理解为：最初，当栅极引脚没有施加电压时，IGBT处于关闭状态，没有电流流经集电极引脚。当施加到栅极引脚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。集电极电流随着栅极电压的增加而增加，如下图所示。

状态

描述

关闭状态

栅极引脚未施加电压，IGBT关闭，集电极无电流。

导通状态

栅极引脚施加的电压超过阈值电压，IGBT导通，集电极电流开始流动。

电流与电压关系

集电极电流随栅极电压增加而增加。

IGBT的这种特性使其成为一种非常灵活的电力电子开关，能够在低栅极驱动电流下控制高电流的流动。在设计IGBT驱动电路时，需要确保栅极驱动电压足够以超过阈值电压，从而保证IGBT的可靠导通。同时，也需要考虑栅极驱动电路的设计，以避免在开关过程中产生不必要的电压尖峰或电流冲击，这些都可能影响IGBT的性能和寿命。栅极电压的控制对于IGBT的开关操作至关重要，它允许使用小的栅极电流来控制相对大的集电极电流，这是IGBT在高功率应用中广泛使用的原因之一。

珠海富士智能股份有限公司专注于IGBT散热铜底板研发与制造！http://www.fujichinon.com/