淺析IGBT成為熱門的技術原因及應用

近年IGBT這個專業名詞非常的熱。電子、半導體、汽車、能源、電力、控制系統等行業，好像都涉及到了這個名詞。IGBT算是一個比較新的技術，通過其高效的電源管理能力，確實正在對這此行業進行升級換代。本文我們來了解一下IGBT之所以成為熱門的技術原因，和它的應用。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）英文的字面翻譯是絕緣柵雙極晶體管。它是一種三端半導體開關器件，可用于多種類型的電子器件中實現高效率的快速開關，用于開關/處理具有脈寬調制(PWM)的復雜波形。IGBT的典型符號及其圖像如下所示。

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常見的電子開關元器件是 BJT （雙極結晶體管）和 MOSFET，但是在高電流的應用境中，這兩種元件就有所限制，這個時候 IGBT 就派上用場了。

IGBT可以用由兩個晶體管和MOSFET組成的等效電路來構造，因為IGBT具有PNP晶體管、NPN晶體管和MOSFET組合的輸出。

IGBT結合了晶體管的低飽和電壓和MOSFET的高輸入阻抗和開關速度。這種組合的結果提供了雙極晶體管的輸出開關和導通特性，但電壓像MOSFET一樣被控制。

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IGBT因組合方式不同，有多種不同的名字：

IGT（Insulated Gate Transistor）絕緣柵晶體管

MOSIGT(Metal Oxide Insulated Gate Transistor)金屬氧化物絕緣柵晶體管

GEMFET(Gain Modulated Field Effect Transistor)增益調制場效應晶體管

COMFET(Conductively Modulated Field Effect Transistor)傳導調制場效應晶體管

IGBT的三個終端分別連接在三個不同的金屬層上，柵極終端的金屬層通過一層二氧化硅(SIO2)與半導體絕緣。IGBT由4層半導體夾在一起構成?？拷姌O的層是p+襯底層，它上面是n層，另一個p層靠近發射極，在p層里面是n+層。p+層與n層之間的結稱為J2結，n層與p層之間的結稱為J1結。IGBT的結構如圖下所示。

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我們這樣來理解IGBT的工作原理：一個電壓源VG，它相對于發射極正接在柵極端子上。連接在發射極和集電極上的其他電壓源VCC，其中集電極與發射極保持正相關。由于電壓源VCC，結J1將是正向偏置，而結J2將是反向偏置。由于J2處于反向偏置，因此不會有任何電流在IGBT內部流動(從集電極到發射極)。

最初，考慮柵極端子沒有施加電壓，在此階段IGBT將處于不導電狀態?，F在，如果我們增加施加的柵極電壓，由于在SiO2層上的電容效應，負離子將在該層的上部積累，而正離子將在SiO2層的下部積累。這將導致在p區插入負電荷載流子，施加的VG電壓越高，插入的負電荷載流子就越大。這將導致J2結之間形成通道，允許電流從集電極流向發射極。電流在圖中表示為電流路徑，當施加柵極電壓VG增加時，從集電極到發射極的電流也增加。

根據n+緩沖層將IGBT分為兩種，具有n+緩沖層的IGBT稱為穿孔型IGBT (PT-IGBT)，沒有n+緩沖層的IGBT稱為無穿孔型IGBT (NPT- IGBT)。 根據NPT- IGBT和PT-IGBT的特性，分別被稱為對稱型和非對稱型IGBT。對稱型igbt具有相同的正向和反向擊穿電壓。非對稱igbt是反向擊穿電壓小于正向擊穿電壓的igbt。對稱型igbt多用于交流電路，而不對稱型igbt多用于直流電路，因為它們不需要反向支持電壓。

穿通型IGBT (PT-IGBT)與非穿通型IGBT (NPT- IGBT)的區別

IGBT是電壓控制器件，因此只需要對柵極施加很小的電壓就可以保持在導通狀態。由于這些器件是單向的，它們只能在從集電極到發射極的正向方向上切換電流。IGBT的典型開關電路如下圖所示，將柵極電壓VG加到柵極引腳上，將電動機(M)從電源電壓V+切換到電源電壓V+。電阻Rs大致用于限制通過電機的電流。

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IGBT的柵極引腳沒有施加電壓時，IGBT處于關斷狀態，沒有電流流過集電極引腳。當加在柵極引腳上的電壓超過閾值電壓時，IGBT開始導通，集電極電流IG開始在集電極和發射極之間流動。集電極電流隨柵極電壓增加，如下圖所示。

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IGBT作為一個整體兼有BJT和MOS管的優點。

優點

具有更高的電壓和電流處理能力。

具有非常高的輸入阻抗。

可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

柵極驅動電路簡單且便宜，降低了柵極驅動的要求

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。

具有非常低的導通電阻。

具有高電流密度，使其能夠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 更高的開關速度。

可以使用低控制電壓切換高電流電平。

由于雙極性質，增強了傳導性。

更安全

缺點

開關速度低于 MOS管。

單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

不能阻擋更高的反向電壓。

比 BJT 和 MOS管 更昂貴。

類似于晶閘管的 PNPN 結構，它存在鎖存問題。

與 PMOS 管 相比，關斷時間長。

類似于晶閘管的 PNPN 結構，它存在鎖存問題。

與 PMOS 管 相比，關斷時間長。

IGBT被應用在各種交流和直流電機驅動器上，以及無管制電源(UPS)，開關電源(SMPS)，牽引電機控制和感應加熱，逆變器，等等各各方面。 如工業領域中的變頻器，廣泛應用IGBT技術。具體到產品，家用電器領域的變頻空調、洗衣機、冰箱等。軌道交通領域的高鐵、地鐵、輕軌等。軍工航天領域的飛機、艦艇等。以及新能源領域的新能源汽車、風力發電等都有非常廣泛的應用。

對新能源車來說，IGBT約占電機驅動系統成本的一半。不僅電機驅動要用IGBT，新能源的發電機和空調部分一般也需要IGBT。如特斯拉Model 3上，通過改變電機的交流電的頻率，來改變電機的轉速，從而精準的改變車輛行駛的速度和加速能力。電動汽車3秒可以加速到100公里的強悍起步能力，就是因為交流電機轉速啟動特別快，就是IGBT的功勞。

在充電樁上，充電樁從電網上接出來的電流是標準的220伏交流電，而特斯拉電動汽車的電池充電，需要直流電充電，這就需要IGBT將交流電變成直流電，并把電壓提高到電動車需要的400伏的電壓上。IGBT的性能直接決定了電動車的充電效率和充電速度。

IGBT導通的時候，能夠承受幾十到幾百安培量級的電流，當斷開時，可以承受幾百到幾千伏的電壓，而且IGBT在巨大的電流電壓下，還能有極高的開關速度，一秒鐘能達到1萬次。因此IGBT的好壞，就直接決定了電動汽車的加速快慢，最高時速是多少，電耗高低，能不能秒級起跑，能不能平滑變速，能不能穩定停車等核心性能全靠IGBT，因此稱IGBT為電動汽車的心臟不為過。而這個如此重要的核心器件，大小只有我們手指甲蓋大小。

審核編輯：劉清