一文讀懂IGBT「用途、結構、優缺點、工作原理」

 在我們實際的應用當中流行和最常見的電子器件就是常見的雙極結晶體管BJT和MOS管。雖然BJT和MOS管是流行最常見的元器件，但是在一些相對較高電流的應用場景中有時還是會受到限制。這個時候，我們的IGBT就派上用場了。那什么是IGBT呢？IGBT的作用是什么呢？IGBT的工作原理、優缺點又有哪些呢？這次我們來好好了解一下什么是IGBT!

一：什么是IGBT？

所謂IGBT 其實便是絕緣柵雙極晶體管的一種簡稱，是一種三端半導體開關的器件，可用于多種電子設備中的高效快速開關的場景中。通常主要用于放大器以及一些通過脈沖寬度調制 (PWM) 切換/處理復雜的波形。

為了方便理解，我們可以把IGBT看作我們很熟悉的BJT和MOS管的融合體。所以，不難看出，IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。但是與BJT或MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管IGBT的優勢便在于它提供了一個比標準雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的MOS管輸入損耗。所以，IGBT往往有著更好的工作特性。

就像上面說的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合集成體，所以IGBT 的符號也代表相同。如下圖所示：可以看到輸入側代表具有柵子的 MOS管，輸出側代表具有集電極和發射極的 BJT。集電極和發射極是導通端子，柵極是控制開關操作的控制端子。

IGBT的電路符號與等效電路圖

二：IGBT內部結構

為了更好了解IGBT,下面我們再來看看它的內部結構：一般，IGBT 有三個端子：集電極、發射極和柵極，他們都是附有金屬層。但是，柵子上的金屬材料具有二氧化硅層。IGBT結構其實就相當于是一個四層半導體的器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實現的，它們構成了 P-N-P-N 排列。如下圖所示，小編簡單繪制了一下IGBT的一個內部結構。

三：IGBT工作原理

現在我們來談談IGBT的一個工作原理，其實很簡單，與我們熟悉的 BJT 、MOS管類似：

IGBT 的工作原理其實是通過不斷激活和停用其柵子來開啟、關閉實現的。

如果正輸入的電壓通過柵極，發射器就會保持驅動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵的電壓為零或者為負時，則就會關閉電路應用。

正如我們所了解的，由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率，這也是我們為什么在一些相對較高電流的應用場景中往往選用IGBT的一個主要原因。

下面我們詳細做一個對比：相對于傳統的 BJT，我們知道增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們可以將其稱為 Beta 并表示為 β。

對于 MOS管，由于沒有輸入電流，所以柵子是主通道承載電流的隔離。通常我們是通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

小編繪制了一張圖，可以很好地解釋IGBT的工作原理，描述IGBT整個器件工作范圍，如下圖所示：

    IGBT的優缺點

    既然IGBT作為一個兼有BJT和MOS管的整體，所以往往它的優缺點其實也非常明顯，下面我給大家羅列一下IGBT常見的優缺點。

    優點：

    1、具有更高的電壓和電流處理能力。

    2、高的輸入阻抗。

    3、可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

    4、電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

    5、柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求

    6、通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或稍微負電壓可以很容易地關閉它。

    7、具有非常低的導通電阻。

    8、具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

    9、具有比BJT和MOS管更高的功率增益。

    10、具有比BJT更高的開關速度。

    11、可以使用低控制電壓切換高電流電平。

    12、雙極性質，增強了傳導性。

    13、安全可靠。

    缺點：

    1、開關速度低于MOS管。

    2、因為是單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

    3、不能阻擋更高的反向電壓。

    4、比BJT和MOS管價格更高。

    5、類似于晶閘管的P-N-P-N結構，因此它存在鎖存問題。

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