絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

IGBT是一種功率開關晶體管，結合了MOSFET和BJT的優點，用于電源和電機控制電路。

絕緣柵雙極型晶體管（簡稱IGBT）是傳統雙極結型晶體管（BJT）和場效應晶體管（MOSFET）的交叉產物，使其成為理想的半導體開關器件。

IGBT晶體管結合了這兩種常見晶體管的最佳部分，即MOSFET的高輸入阻抗和高開關速度以及雙極晶體管的低飽和電壓，并將它們結合在一起，產生另一種類型的晶體管開關器件，能夠處理大的集電極-發射極電流，而幾乎不需要門極電流驅動。

典型絕緣柵雙極型晶體管

典型IGBT

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結合了MOSFET的絕緣柵（因此其名稱的第一部分）技術和傳統雙極晶體管的輸出性能特性（因此其名稱的第二部分）。

這種混合組合的結果是，“IGBT晶體管”具有雙極晶體管的輸出開關和導通特性，但像MOSFET一樣是電壓控制的。

IGBT主要用于電力電子應用，如逆變器、轉換器和電源，這些應用對固態開關器件的要求不能完全由功率雙極晶體管和功率MOSFET滿足。高電流和高電壓的雙極晶體管是可用的，但它們的開關速度較慢，而功率MOSFET可能具有更高的開關速度，但高電壓和高電流器件昂貴且難以實現。

絕緣柵雙極型晶體管相對于BJT或MOSFET的優勢在于，它提供了比標準雙極型晶體管更大的功率增益，同時結合了MOSFET的更高電壓操作和更低的輸入損耗。實際上，它是一個與雙極晶體管集成的FET，采用達林頓型配置，如圖所示。

絕緣柵雙極型晶體管

絕緣柵雙極型晶體管

我們可以看到，絕緣柵雙極型晶體管是一種三端跨導器件，它將絕緣柵N溝道MOSFET輸入與PNP雙極晶體管輸出連接在一起，采用達林頓型配置。

因此，其端子標記為：集電極、發射極和門極。其中兩個端子（C-E）與傳導路徑相關，傳遞電流，而第三個端子（G）控制器件。

絕緣柵雙極型晶體管實現的放大量是其輸出信號與輸入信號之間的比率。對于傳統的雙極結型晶體管（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體場效應晶體管或MOSFET，由于柵極與主要載流通道隔離，因此沒有輸入電流。因此，FET的增益等于輸出電流變化與輸入電壓變化的比率，使其成為跨導器件，IGBT也是如此。然后我們可以將IGBT視為一個由MOSFET提供基極電流的功率BJT。

絕緣柵雙極型晶體管可以像BJT或MOSFET型晶體管一樣用于小信號放大電路。但由于IGBT結合了BJT的低導通損耗和功率MOSFET的高開關速度，因此存在一種理想的固態開關，非常適合用于電力電子應用。

此外，IGBT的“導通狀態”電阻RON比等效MOSFET低得多。這意味著對于給定的開關電流，雙極輸出結構上的I2R壓降要低得多。IGBT晶體管的正向阻斷操作與功率MOSFET相同。

當用作靜態控制開關時，絕緣柵雙極型晶體管的電壓和電流額定值與雙極晶體管相似。然而，IGBT中存在絕緣柵，使得其驅動比BJT簡單得多，因為所需的驅動功率要少得多。

絕緣柵雙極型晶體管只需通過激活和去激活其門極端子即可“開啟”或“關閉”。在門極和發射極之間施加正輸入電壓信號將使器件保持“開啟”狀態，而使輸入門極信號為零或略微負將使器件“關閉”，這與雙極晶體管或eMOSFET非常相似。IGBT的另一個優點是它的導通狀態溝道電阻比標準MOSFET低得多。

IGBT特性

IGBT電路特性

由于IGBT是電壓控制器件，它只需要在門極上施加一個小電壓即可維持器件導通，而BJT則需要持續提供足夠大的基極電流以維持飽和。

此外，IGBT是單向器件，意味著它只能在一個“正向”上切換電流，即從集電極到發射極，而MOSFET具有雙向電流切換能力（正向受控，反向不受控）。

絕緣柵雙極型晶體管的工作原理和門極驅動電路與N溝道功率MOSFET非常相似。基本區別在于，當電流在“導通”狀態下流過器件時，主要導電通道提供的電阻在IGBT中要小得多。因此，與等效功率MOSFET相比，其電流額定值要高得多。

使用絕緣柵雙極型晶體管相對于其他類型晶體管器件的主要優勢在于其高電壓能力、低導通電阻、易于驅動、相對較快的開關速度以及零門極驅動電流，使其成為中速、高電壓應用的良好選擇，如脈寬調制（PWM）、變速控制、開關模式電源或太陽能DC-AC逆變器和頻率轉換器應用，工作在數百千赫茲范圍內。

BJT、MOSFET和IGBT之間的一般比較如下表所示。

IGBT比較表

我們已經看到，絕緣柵雙極型晶體管是一種半導體開關器件，具有雙極結型晶體管（BJT）的輸出特性，但像金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）一樣受控。

IGBT晶體管的主要優勢之一是其驅動的簡單性，通過施加正門極電壓可以“開啟”，或通過使門極信號為零或略微負來“關閉”，使其可用于各種開關應用。它也可以在其線性有源區域中驅動，用于功率放大器。

由于其較低的導通狀態電阻和導通損耗以及在高頻率下切換高電壓而不會損壞的能力，絕緣柵雙極型晶體管非常適合驅動感性負載，如線圈繞組、電磁鐵和直流電機。