绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

IGBT是一种功率开关晶体管，结合了MOSFET和BJT的优点，用于电源和电机控制电路。

绝缘栅双极型晶体管（简称IGBT）是传统双极结型晶体管（BJT）和场效应晶体管（MOSFET）的交叉产物，使其成为理想的半导体开关器件。

IGBT晶体管结合了这两种常见晶体管的最佳部分，即MOSFET的高输入阻抗和高开关速度以及双极晶体管的低饱和电压，并将它们结合在一起，产生另一种类型的晶体管开关器件，能够处理大的集电极-发射极电流，而几乎不需要门极电流驱动。

典型绝缘栅双极型晶体管

典型IGBT

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）结合了MOSFET的绝缘栅（因此其名称的第一部分）技术和传统双极晶体管的输出性能特性（因此其名称的第二部分）。

这种混合组合的结果是，“IGBT晶体管”具有双极晶体管的输出开关和导通特性，但像MOSFET一样是电压控制的。

IGBT主要用于电力电子应用，如逆变器、转换器和电源，这些应用对固态开关器件的要求不能完全由功率双极晶体管和功率MOSFET满足。高电流和高电压的双极晶体管是可用的，但它们的开关速度较慢，而功率MOSFET可能具有更高的开关速度，但高电压和高电流器件昂贵且难以实现。

绝缘栅双极型晶体管相对于BJT或MOSFET的优势在于，它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益，同时结合了MOSFET的更高电压操作和更低的输入损耗。实际上，它是一个与双极晶体管集成的FET，采用达林顿型配置，如图所示。

绝缘栅双极型晶体管

绝缘栅双极型晶体管

我们可以看到，绝缘栅双极型晶体管是一种三端跨导器件，它将绝缘栅N沟道MOSFET输入与PNP双极晶体管输出连接在一起，采用达林顿型配置。

因此，其端子标记为：集电极、发射极和门极。其中两个端子（C-E）与传导路径相关，传递电流，而第三个端子（G）控制器件。

绝缘栅双极型晶体管实现的放大量是其输出信号与输入信号之间的比率。对于传统的双极结型晶体管（BJT），增益量大约等于输出电流与输入电流的比率，称为Beta。

对于金属氧化物半导体场效应晶体管或MOSFET，由于栅极与主要载流通道隔离，因此没有输入电流。因此，FET的增益等于输出电流变化与输入电压变化的比率，使其成为跨导器件，IGBT也是如此。然后我们可以将IGBT视为一个由MOSFET提供基极电流的功率BJT。

绝缘栅双极型晶体管可以像BJT或MOSFET型晶体管一样用于小信号放大电路。但由于IGBT结合了BJT的低导通损耗和功率MOSFET的高开关速度，因此存在一种理想的固态开关，非常适合用于电力电子应用。

此外，IGBT的“导通状态”电阻RON比等效MOSFET低得多。这意味着对于给定的开关电流，双极输出结构上的I2R压降要低得多。IGBT晶体管的正向阻断操作与功率MOSFET相同。

当用作静态控制开关时，绝缘栅双极型晶体管的电压和电流额定值与双极晶体管相似。然而，IGBT中存在绝缘栅，使得其驱动比BJT简单得多，因为所需的驱动功率要少得多。

绝缘栅双极型晶体管只需通过激活和去激活其门极端子即可“开启”或“关闭”。在门极和发射极之间施加正输入电压信号将使器件保持“开启”状态，而使输入门极信号为零或略微负将使器件“关闭”，这与双极晶体管或eMOSFET非常相似。IGBT的另一个优点是它的导通状态沟道电阻比标准MOSFET低得多。

IGBT特性

IGBT电路特性

由于IGBT是电压控制器件，它只需要在门极上施加一个小电压即可维持器件导通，而BJT则需要持续提供足够大的基极电流以维持饱和。

此外，IGBT是单向器件，意味着它只能在一个“正向”上切换电流，即从集电极到发射极，而MOSFET具有双向电流切换能力（正向受控，反向不受控）。

绝缘栅双极型晶体管的工作原理和门极驱动电路与N沟道功率MOSFET非常相似。基本区别在于，当电流在“导通”状态下流过器件时，主要导电通道提供的电阻在IGBT中要小得多。因此，与等效功率MOSFET相比，其电流额定值要高得多。

使用绝缘栅双极型晶体管相对于其他类型晶体管器件的主要优势在于其高电压能力、低导通电阻、易于驱动、相对较快的开关速度以及零门极驱动电流，使其成为中速、高电压应用的良好选择，如脉宽调制（PWM）、变速控制、开关模式电源或太阳能DC-AC逆变器和频率转换器应用，工作在数百千赫兹范围内。

BJT、MOSFET和IGBT之间的一般比较如下表所示。

IGBT比较表

我们已经看到，绝缘栅双极型晶体管是一种半导体开关器件，具有双极结型晶体管（BJT）的输出特性，但像金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）一样受控。

IGBT晶体管的主要优势之一是其驱动的简单性，通过施加正门极电压可以“开启”，或通过使门极信号为零或略微负来“关闭”，使其可用于各种开关应用。它也可以在其线性有源区域中驱动，用于功率放大器。

由于其较低的导通状态电阻和导通损耗以及在高频率下切换高电压而不会损坏的能力，绝缘栅双极型晶体管非常适合驱动感性负载，如线圈绕组、电磁铁和直流电机。

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