在(絕緣柵雙極型晶體管)IGBT出來之前，最受歡迎和常用的功率電子開關器件是雙極結晶體管(BJT)和場效應晶體管(MOSFET)。然而，這兩種組件在高電流應用中都有一些限制。因此，我們轉向了另一種受歡迎的功率電子開關器件，稱為 IGBT。

你可以將 IGBT 看作 BJT 和 MOSFET 的結合體，這些組件具有 BJT 的輸入特性和 MOSFET 的輸出特性。在本文中，我們將熟悉 IGBT 的基本知識、工作原理以及如何在電路設計中使用它們。

什么是 IGBT?

IGBT 是絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)的縮寫。它是一種具有三個端子的半導體開關器件，可用于在多種電子設備中實現快速切換和高效能。這些器件主要用于放大器中，通過脈寬調制(PWM)進行復雜波形的切換和處理。下面展示了 IGBT 的典型符號及其圖像。

正如前面提到的，IGBT 是 BJT 和 MOSFET 的結合體。IGBT 的符號也體現了這一點，輸入側代表一個帶有柵極終端的 MOSFET，輸出側則代表一個帶有集電極和發射極的 BJT。集電極和發射極是導通端子，而柵極是控制端子，用于控制開關操作。

IGBT 的內部結構

IGBT 可以通過由兩個晶體管和一個 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 的組合輸出。IGBT 將晶體管的低飽和電壓與 MOSFET 的高輸入阻抗和切換速度結合在一起。通過這種組合所得到的結果提供了雙極晶體管的輸出開關和導通特性，但電壓的控制方式類似于 MOSFET。

由于 IGBT 是 MOSFET 和 BJT 的結合體，因此也有不同的名稱。IGBT 的不同名稱包括絕緣柵晶體管(IGT)、金屬氧化物絕緣柵晶體管(MOSIGT)、增益調制場效應晶體管(GEMFET)、導電調制場效應晶體管(COMFET)。

IGBT 的工作原理

IGBT 具有三個連接到三個不同金屬層的端子，柵極終端的金屬層通過二氧化硅(SiO2)層與半導體絕緣。IGBT 是由四層半導體夾在一起構成的。靠近集電極的層是 p+ 基底層，之上是 n- 層，靠近發射極的是另一層 p 層，在 p 層內部還有 n+ 層。p+ 層和 n- 層之間的結稱為結 J2，而 n- 層和 p 層之間的結稱為結 J1。IGBT 的結構如下面的圖所示。

為了理解 IGBT 的工作原理，考慮一個電壓源 VG 正連接到柵極終端，相對于發射極。再考慮一個電壓源 VCC 連接在發射極和集電極之間，其中集電極相對于發射極為正。由于電壓源 VCC，結 J1 將被正偏置，而結 J2 將被反偏置。由于 J2 處于反偏置狀態，因此在 IGBT 內部(從集電極到發射極)不會有電流流動。

最初，假設沒有電壓施加到柵極終端，此時 IGBT 將處于非導通狀態。現在如果我們增加施加的柵極電壓，由于 SiO2 層的電容效應，負離子將在層的上方積聚，而正離子將在 SiO2 層的下方積聚。這將導致在 p 區插入負電荷載流子，施加的電壓 VG 越高，插入的負電荷載流子越多。這將導致 J2 結之間形成通道，使得電流能夠從集電極流向發射極。電流的流動在圖片中表示為電流路徑，當施加的柵極電壓 VG 增加時，從集電極到發射極的電流流量也會增加。

IGBT 的類型

IGBT 根據 n+ 緩沖層可分為兩種類型，具有 n+ 緩沖層的 IGBT 被稱為穿透型 IGBT(PT-IGBT)，而沒有 n+ 緩沖層的 IGBT 被稱為非穿透型 IGBT(NPT-IGBT)。

根據其特性，NPT-IGBT 和 PT-IGBT 被稱為對稱和非對稱 IGBT。對稱 IGBT 是指具有相等的正向和反向擊穿電壓的器件，而非對稱 IGBT 是指其反向擊穿電壓小于正向擊穿電壓的器件。對稱 IGBT 通常用于交流電路，而非對稱 IGBT 則主要用于直流電路，因為它們不需要支持反向電壓。

IGBT 作為電路的工作

由于 IGBT 是 BJT 和 MOSFET 的結合體，我們在這里看一下它們作為電路圖的工作。下面的圖展示了 IGBT 的內部電路，包括兩個 BJT 和一個 MOSFET 以及一個 JFET。IGBT 的柵極、集電極和發射極引腳在下方標記。

PNP 晶體管的集電極通過 JFET 連接到 NPN 晶體管，JFET 連接 PN P 晶體管的集電極和基極。這些晶體管以特定方式排列，形成一個寄生的晶閘管結構，以創建一個負反饋回路。電阻 RB 被放置在 NPN 晶體管的基極和發射極端子之間，以確保晶閘管不會鎖定，從而導致 IGBT 的鎖定。這里使用的 JFET 將表示任何兩個 IGBT 單元之間的電流結構，并允許 MOSFET 并支持大部分電壓。

IGBT 的切換特性

IGBT 是一種電壓控制器件，因此它只需要施加小電壓到柵極即可保持在導通狀態。由于這些是單向器件，它們只能在從集電極到發射極的正向方向上切換電流。下面展示了 IGBT 的典型切換電路，柵極電壓 VG 被施加到柵極引腳上，以將電動機(M)從供電電壓 V+ 切換。電阻 Rs 大致用于限制電動機的電流。

IGBT 的輸入特性可以從下面的圖中理解。最初，當沒有電壓施加到柵極引腳時，IGBT 處于關閉狀態，集電極引腳沒有電流流過。當施加到柵極引腳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。集電極電流相對于柵極電壓增加，如下圖所示。

IGBT 的輸出特性有三個階段，最初，當柵極電壓 VGE 為零時，器件處于關閉狀態，這稱為截止區。當 VGE 增加且小于閾值電壓時，將有小的泄漏電流流過器件，但該器件仍處于截止區。當 VGE 增加到超過閾值電壓時，器件進入主動區，電流開始流過器件。隨著 VGE 的增加，電流流動也會增加，如上圖所示。

IGBT 的應用

IGBT 廣泛應用于各種場合，如交流和直流電動機驅動、不受調節的電源(UPS)、開關模式電源(SMPS)、牽引電動機控制和感應加熱、逆變器，用于將絕緣柵場效應晶體管與雙極功率晶體管組合成單個設備等。

IGBT 的封裝

IGBT 有不同種類的封裝，來自不同公司的名稱各異。例如，特瑞諾(TRINNO)封裝包括 TO-262、TO-251、TO-273、TO-274、TO-220、TO-220-3 FP、TO-247、TO-247AD。表面貼裝封裝包括 TO-263、TO-252等。