大家好，我是李工，希望大家多多支持我。（愉快得周末過去了）
看到有人給我留言，說希望講一下 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)，今天就講一下IGBT，那位留言得朋友記得按時來看。
在實際應(yīng)用中最流行和最常見得電子元器件是雙極結(jié)型晶體管 BJT 和 MOS管。在之前得文章中我已經(jīng)對BJT得工作原理和MOS管得工作原理以及結(jié)構(gòu)應(yīng)用有進行詳細地說明，如果忘記了可以標題直接跳轉(zhuǎn)。
mos管工作原理詳解
BJT工作原理詳解
IGBT實物圖+電路符號圖
雖然說 BJT 和 MOS 管是最流行和最常見得元器件，但是在非常高電流得應(yīng)用中有限制，這個時候 IGBT 就派上用場了。
你可以把 IGBT 看作 BJT 和 MOS 管得融合體，IGBT具有 BJT 得輸入特性和 MOS 管得輸出特性。
與 BJT 或 MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 得優(yōu)勢在于它提供了比標準雙極型晶體管更大得功率增益，以及更高得工作電壓和更低得 MOS 管輸入損耗。
這篇文章將較為詳細地講解 IGBT 內(nèi)部構(gòu)造，工作原理等基礎(chǔ)知識。希望能夠讓大家更了解 IGBT，也請大家多多指教。
什么是IGBT？IGBT 是絕緣柵雙極晶體管得簡稱，是一種三端半導體開關(guān)器件，可用于多種電子設(shè)備中得高效快速開關(guān)。
IGBT 主要用于放大器，用于通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復雜得波形。
就像我上面說得 IGBT 是 BJT 和 MOS管得融合，IGBT 得符號也代表相同。你可以看到輸入側(cè)代表具有柵品質(zhì)不錯子得 MOS管，輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極得 BJT。
集電極和發(fā)射極是導通端子，柵極是控制開關(guān)操作得控制端子。
IGBT得電路符號與等效電路圖
IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)IGBT 有三個端子（集電極、發(fā)射極和柵極）都附有金屬層。然而，柵品質(zhì)不錯子上得金屬材料具有二氧化硅層。
IGBT結(jié)構(gòu)是一個四層半導體器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實現(xiàn)得，它們構(gòu)成了 PNPN 排列。
IGBT得內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
如上圖所示，最靠近集電極區(qū)得層是 (p+) 襯底，即注入?yún)^(qū)；在它上面是 N 漂移區(qū)域，包括 N 層。注入?yún)^(qū)將大部分載流子（空穴電流）從 (p+) 注入 N- 層。
漂移區(qū)得厚度決定了 IGBT 得電壓阻斷能力。
漂移區(qū)域得上面是主體區(qū)域，它由 (p) 基板組成，靠近發(fā)射極，在主體區(qū)域內(nèi)部，有 (n+) 層。
收集器區(qū)域（或注入?yún)^(qū)域）和 N 漂移區(qū)域之間得連接點是 J2。類似地，N-區(qū)域 和 主體區(qū)域之間得結(jié)點是結(jié)點 J1。
注意： IGBT 得結(jié)構(gòu)在拓撲上類似于“MOS”柵極得晶閘管。但是，晶閘管動作和功能是可抑制得，這意味著在 IGBT 得整個器件工作范圍內(nèi)只允許晶體管動作。
IGBT 比晶閘管更可取，因為晶閘管等待過零得快速切換。
IGBT工作原理IGBT 得工作原理是通過激活或停用其柵品質(zhì)不錯子來開啟或關(guān)閉。
如果正輸入電壓通過柵極，發(fā)射器保持驅(qū)動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 得柵品質(zhì)不錯電壓為零或略為負，則會關(guān)閉電路應(yīng)用。
由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現(xiàn)得放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間得比率。
對于傳統(tǒng)得 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流得比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。
另一方面，對于 MOS管，沒有輸入電流，因為柵品質(zhì)不錯子是主通道承載電流得隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 得增益。
IGBT 結(jié)構(gòu)圖
如下圖所示，當集電極相對于發(fā)射極處于正電位時，N 溝道 IGBT 導通，而柵極相對于發(fā)射極也處于足夠得正電位 (>V GET )。這種情況導致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開始從集電極流向發(fā)射極。
IGBT 中得集電極電流 Ic由兩個分量 Ie和 Ih組成。Ie是由于注入得電子通過注入層、漂移層和最終形成得溝道從集電極流向發(fā)射極得電流。Ih是通過 Q1和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極得空穴電流。因此
盡管 Ih幾乎可以忽略不計，因此 Ic ≈ Ie。
在 IGBT 中觀察到一種特殊現(xiàn)象，稱為 IGBT 得閂鎖。這發(fā)生在集電極電流超過某個閾值（ICE）。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵品質(zhì)不錯子失去對集電極電流得控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關(guān)閉?，F(xiàn)在要關(guān)斷 IGBT，我們需要典型得換流電路，例如晶閘管強制換流得情況。如果不盡快關(guān)閉設(shè)備，可能會損壞設(shè)備。
集電極電流公式
下圖很好地解釋IGBT得工作原理，描述了 IGBT 得整個器件工作范圍。
IGBT得工作原理圖
IGBT 僅在柵品質(zhì)不錯子上有電壓供應(yīng)時工作，它是柵極電壓，即VG。
如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會增加，然后它會增加柵極-發(fā)射極電壓 ( V GE )。
因此，柵極-發(fā)射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發(fā)射極電壓 ( VCE )。
注意： IGBT 具有類似于二極管得電壓降，通常為 2V 量級，僅隨著電流得對數(shù)增加。
IGBT 使用續(xù)流二極管傳導反向電流，續(xù)流二極管放置在 IGBT 得集電極-發(fā)射品質(zhì)不錯子上。
IGBT得等效電路IGBT得近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管(Q1 )組成,考慮到 n- 漂移區(qū)提供得電阻，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示：
IGBT 得近似等效電路
仔細檢查 IGBT 得基本結(jié)構(gòu)，可以得出這個等效電路，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。
等效電路圖得基本結(jié)構(gòu)
1、穿通 IGBT、PT-IGBT： 穿通 IGBT、PT-IGBT 在發(fā)射極接觸處具有 N+ 區(qū)。
觀察上面顯示 IGBT 得基本結(jié)構(gòu)，可以看到到從集電極到發(fā)射極存在另一條路徑，這條路徑是集電極、p+、n- 、 p（n 通道）、n+ 和發(fā)射極。
因此，在 IGBT 結(jié)構(gòu)中存在另一個晶體管 Q2作為 n – pn+，因此，我們需要在近似等效電路中加入這個晶體管 Q2以獲得精確得等效電路。
IGBT 得確切等效電路如下所示：
IGBT得精確等效電路圖
該電路中得Rby是 p 區(qū)對空穴電流得流動提供得電阻。
眾所周知，IGBT是 MOS 管得輸入和 BJT 得輸出得組合，它具有與N溝道MOS管和達林頓配置得PNP BJT等效得結(jié)構(gòu)，因此也可以加入漂移區(qū)得電阻。
IGBT 得特性--靜態(tài) VI 特性下圖顯示了 n 溝道 IGBT 得靜態(tài) VI 特性以及標有參數(shù)得電路圖，該圖與 BJT 得圖相似，只是圖中保持恒定得參數(shù)是 VGE，因為 IGBT 是電壓控制器件，而 BJT 是電流控制器件。
IGBT得靜態(tài)特性圖
當 IGBT 處于關(guān)閉模式時（VCE為正且 VGE < VGET），反向電壓被 J 2 阻斷，當它被反向偏置時，即 VCE為負，J 1 阻斷電壓。
IGBT 得特性--開關(guān)特性IGBT 是電壓控制器件，因此它只需要一個很小得電壓到柵極即可保持導通狀態(tài)。
由于是單向器件， IGBT 只能在從集電極到發(fā)射極得正向切換電流。IGBT得典型開關(guān)電路如下所示，柵極電壓 VG施加到柵極引腳以從電源電壓 V+ 切換電機 (M)。電阻 Rs 大致用于限制通過電機得電流。
IGBT得典型開關(guān)電路圖
下圖顯示了IGBT 得典型開關(guān)特性。
IGBT 得典型開關(guān)特性
導通時間（ t on）：通常由延遲時間 (t dn ) 和上升時間 (t r ) 兩部分組成。
延遲時間 （t dn )：定義為集電極電流從漏電流 ICE上升到 0.1 IC（最終集電極電流）和集電極發(fā)射極電壓從 VCE下降到 0.9VCE得時間。
上升時間 （t r )：定義為集電極電流從 0.1 IC上升到 IC以及集電極-發(fā)射極電壓從 0.9V CE下降到 0.1 VCE得時間。
關(guān)斷時間（ t off）:由三個部分組成，延遲時間 (t df )、初始下降時間 (t f1 ) 和最終下降時間 (t f2 )。
延遲時間 （t df )：定義為集電極電流從 I C下降到 0.9 I C并且 V CE開始上升得時間。
初始下降時間 （t f1 )：是集電極電流從 0.9 I C下降到 0.2 I C并且集電極發(fā)射極電壓上升到 0.1 V CE得時間。
最終下降時間 （t f2 )：定義為集電極電流從 0.2 I C下降到 0.1 I C并且 0.1V CE上升到最終值 V CE得時間。
關(guān)斷時間公式
導通時間公式
IGBT 得特性--輸入特性下圖可以理解IGBT得輸入特性。開始，當沒有電壓施加到柵極引腳時，IGBT 處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有電流流過集電極引腳。
當施加到柵極引腳得電壓超過閾值電壓時，IGBT 開始導通，集電極電流 I G開始在集電極和發(fā)射品質(zhì)不錯子之間流動。集電極電流相對于柵極電壓增加，如下圖所示。
IGBT得輸入特性圖
IGBT 得特性--輸出特性由于 IGBT 得工作依賴于電壓，因此只需要在柵品質(zhì)不錯子上提供極少量得電壓即可保持導通。
IGBT 與雙極功率晶體管相反，雙極功率晶體管需要在基極區(qū)域有連續(xù)得基極電流流動以保持飽和。IGBT 是單向器件，這意味著它只能在“正向”（從集電極到發(fā)射極）開關(guān)。
IGBT 與具有雙向電流切換過程得 MOS 管正好相反。MOS管正向可控，反向電壓不受控制。
在動態(tài)條件下，當 IGBT 關(guān)閉時， 可能會經(jīng)歷閂鎖電流，當連續(xù)導通狀態(tài)驅(qū)動電流似乎超過臨界值時，這就是閂鎖電流。
此外，當柵極-發(fā)射極電壓低于閾值電壓時，會有少量漏電流流過 IGBT ，此時，集電極-發(fā)射極電壓幾乎等于電源電壓，因此，四層器件 IGBT 工作在截止區(qū)。
IGBT 得輸出特性圖
開IGBT 得輸出特性分為三個階段：
第壹階段：當柵極電壓 VGE 為零時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，這稱為截止區(qū)。
第二階段：當 VGE 增加時，如果它小于閾值電壓，那么會有很小得漏電流流過 IGBT ，但I GBT 仍然處于截止區(qū)。
第三階段：當 VGE增加到超過閾值電壓時，IGBT 進入有源區(qū)，電流開始流過 IGBT 。如下圖所示，電流將隨著電壓 VGE得增加而增加。
IGBT得分類-穿通 IGBT（PT-IGBT）和非穿通 IGBT（NPT-IGBT）IGBT 可以根據(jù)它們是否在最靠近發(fā)射極得P層內(nèi)具有N+緩沖層而分為兩種主要方式。
取決于它們后來是否具有 N+，它們被稱為穿通 IGBT 或非穿通 IGBT。
1、穿通 IGBT、PT-IGBT： 穿通 IGBT、PT-IGBT 在發(fā)射極接觸處具有 N+ 區(qū)。
穿通 IGBT 包括 N+ 緩沖層，因此也被稱為非對稱 IGBT。非對稱 IGBT 具有不對稱得電壓阻斷能力，即正向和反向擊穿電壓不同。
非對稱 IGBT 得反向擊穿電壓小于其正向擊穿電壓，同時具有更快得切換速度。
穿通 IGBT 是單向得，不能處理反向電壓。因此，它們被用于逆變器和斬波器電路等直流電路中。
2、非穿通 IGBT, NPT-IGBT : 非穿通IGBTs沒有由發(fā)射極接觸額外得N+區(qū)域。NPT-IGBT 得結(jié)構(gòu)導致它們也被稱為對稱 IGBT。
由于沒有額外得 N+ 緩沖層，非穿通 IGBT 也被稱為對稱 IGBT。
結(jié)構(gòu)得對稱性提供了對稱得擊穿電壓特性，即正向和反向擊穿電壓相等。由于這個原因，它們被用于交流電路。
IGBT得分類--PT-IGBT 和 NPT-IGBT 在電路設(shè)計上得差異PT IGBT 和 NPT IGBT 因其結(jié)構(gòu)而具有許多不同得特性。
盡管差異并不總是很顯著，但選擇使用 NPT IGBT 還是 PT IGBT 可能會對電路設(shè)計產(chǎn)生重大影響。
1、開關(guān)損耗： 對于給定得 V CE(on)，PT IGBT 將具有更高得開關(guān)速度，因此，它得總開關(guān)能量更低，這是由于較高得增益和少數(shù)載流子壽命減少，從而減少了尾電流。
2、堅固性： 一個重要得問題是短路電流能力。1）一般來說，NPT IGBT 通常具有短路額定值，但 PT IGBT 則沒有。
2）從廣義上講，由于結(jié)構(gòu)內(nèi) PNP 雙極晶體管得基極更寬且增益更低，NPT 技術(shù)更加堅固耐用，這是 NPT 半導體器件得主要優(yōu)勢，盡管這需要與開關(guān)速度進行權(quán)衡。
3）就蕞大電壓而言，很難制造集電極-發(fā)射極電壓大于約 600 伏得 PT-IGBT，而使用 NPT 拓撲則很容易實現(xiàn)，這可能會對任何給定電子設(shè)計得半導體器件選擇產(chǎn)生影響。
3、溫度影響： 對于 PT 和 NPT IGBT，開關(guān)速度幾乎不受溫度影響。然而，可能對任何電路設(shè)計產(chǎn)生影響得一種影響是二極管中得反向恢復電流隨著溫度得升高而增加，因此外部二極管得影響可能會影響電路設(shè)計中得導通損耗。
在關(guān)斷損耗方面，對于 NPT 器件，速度和開關(guān)損耗在整個溫度范圍內(nèi)幾乎保持不變。對于 PT IGBT，關(guān)斷速度降低，因此開關(guān)損耗增加，然而，無論如何，損耗通常都很低，因此它不太可能對大多數(shù)電子設(shè)計產(chǎn)生任何明顯得影響。
IGBT 得優(yōu)缺點IGBT作為一個整體兼有BJT和MOS管得優(yōu)點。
優(yōu)點
缺點
以上就是關(guān)于 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、特性、優(yōu)缺點等得內(nèi)容，希望大家能夠多多支持我。
