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IGBT是變頻器的核心部件,，自然要分外關注,。 在實際應用中最流行和最常見的電子元器件是雙極結型晶體管 BJT 和 MOS管。  IGBT實物圖+電路符號圖 你可以把IGBT看作BJT和MOS管的融合體，IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。 與BJT或MOS管相比,，絕緣柵雙極型晶體管IGBT優(yōu)勢在于它提供了比標準雙極型晶體管更大的功率增益,，以及更高工作電壓和更低MOS管輸入損耗。 01 什么是IGBT IGBT是絕緣柵雙極晶體管的簡稱,，是一種三端半導體開關器件,，可用于多種電子設備中的高效快速開關。IGBT主要用于放大器,，用于通過脈沖寬度調制 (PWM) 切換/處理復雜的波形,。你可以看到輸入側代表具有柵極端子的MOS管，輸出側代表具有集電極和發(fā)射極的BJT,。集電極和發(fā)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 02 IGBT內部結構 IGBT有三個端子（集電極、發(fā)射極和柵極）都附有金屬層,。然而,，柵極端子上的金屬材料具有二氧化硅層。IGBT結構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)的,，它們構成了PNPN排列。 IGBT的內部結構圖 如上圖所示，最靠近集電極區(qū)的層是 (p+) 襯底,，即注入區(qū),；在它上面是 N 漂移區(qū)域，包括 N 層,。注入區(qū)將大部分載流子（空穴電流）從 (p+) 注入 N- 層,。 漂移區(qū)的厚度決定了 IGBT 的電壓阻斷能力。 漂移區(qū)域的上面是主體區(qū)域,，它由 (p) 基板組成,，靠近發(fā)射極，在主體區(qū)域內部,，有 (n+) 層,。 注入區(qū)域和 N 漂移區(qū)域之間的連接點是 J2。類似地,，N-區(qū)域 和 主體區(qū)域之間的結點是結點 J1,。 注意：IGBT 的結構在拓撲上類似于“MOS”柵極的晶閘管,。但是，晶閘管動作和功能是可抑制的,，這意味著在 IGBT 的整個器件工作范圍內只允許晶體管動作,。IGBT 比晶閘管更可取，因為晶閘管等待過零的快速切換,。 03 IGBT工作原理 IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關閉,。如果正輸入電壓通過柵極，發(fā)射極保持驅動電路開啟,。另一方面,，如果 IGBT 的柵極端電壓為零或略為負，則會關閉電路應用,。 由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管,，因此它實現(xiàn)的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率。 對于傳統(tǒng)的 BJT,，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同,，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，因為柵極端子是主通道承載電流的隔離,。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。  IGBT 結構圖 如圖所示，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)射極也處于足夠的正電位 (>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 中的集電極電流 Ic 由兩個分量 Ie和 Ih 組成,。Ie 是由于注入的電子通過注入層,、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發(fā)射極的電流。Ih 是通過 Q1 和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極的空穴電流,。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 的閂鎖,。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,，柵極端子失去對集電極電流的控制,，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關閉,。 現(xiàn)在要關斷 IGBT,，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強制換流的情況,。如果不盡快關閉設備,，可能會損壞設備。  集電極電流公式 下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個器件工作范圍,。  IGBT的工作原理圖 IGBT 僅在柵極端子上有電壓供應時工作,，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 ( VGE ),。 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 具有類似于二極管的電壓降，通常為 2V 量級,，僅隨著電流的對數(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 的集電極-發(fā)射極端子上,。 04 IGBT的等效電路 IGBT的近似等效電路由 MOS 管和 PNP 晶體管(Q1 )組成,考慮到 n- 漂移區(qū)提供的電阻,，電阻 Rd已包含在電路中，如下圖所示： IGBT 的近似等效電路 仔細檢查 IGBT 的基本結構，可以得出這個等效電路,，基本結構如下圖所示,。  等效電路圖的基本結構 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 的基本結構,，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 結構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以獲得精確的等效電路,。 IGBT 的精確等效電路如下所示：  IGBT的精確等效電路圖 該電路中的 Rby 是 p 區(qū)對空穴電流的流動提供的電阻,。 眾所周知，IGBT是 MOS 管的輸入和 BJT 的輸出的組合,，它具有與N溝道MOS管和達林頓配置的PNP BJT等效的結構,，因此也可以加入漂移區(qū)的電阻。 05 IGBT 的特性--靜態(tài) VI 特性 下圖顯示了 n 溝道 IGBT 的靜態(tài) VI 特性以及標有參數(shù)的電路圖,，該圖與 BJT 的圖相似,，只是圖中保持恒定的參數(shù)是 VGE，因為 IGBT 是電壓控制器件,，而 BJT 是電流控制器件。  IGBT的靜態(tài)特性圖 當 IGBT 處于關閉模式時（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,。 06 IGBT 的特性--開關特性 IGBT 是電壓控制器件,，因此它只需要一個很小的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)射極的正向切換電流,。IGBT的典型開關電路如下所示,，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的電流,。 IGBT的典型開關電路圖 下圖顯示了IGBT 的典型開關特性,。 IGBT 的典型開關特性 01 01 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,。 02 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的時間,。 03 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的時間。 04 關斷時間（ 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 )。 05 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開始上升的時間,。 06 初始下降時間 （t f1 ) 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的時間,。 07 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的時間。 關斷時間公式 導通時間公式 07 IGBT 的特性--輸入特性 下圖可以理解IGBT的輸入特性,。開始，當沒有電壓施加到柵極引腳時,，IGBT 處于關閉狀態(tài),，沒有電流流過集電極引腳。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 I G開始在集電極和發(fā)射極端子之間流動。集電極電流相對于柵極電壓增加,，如下圖所示,。 IGBT的輸入特性圖 08 IGBT 的特性--輸出特性 由于 IGBT 的工作依賴于電壓,，因此只需要在柵極端子上提供極少量的電壓即可保持導通。 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)的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,。IGBT 與具有雙向電流切換過程的 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 關閉時,， 可能會經歷閂鎖電流，當連續(xù)導通狀態(tài)驅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 的輸出特性圖 IGBT 的輸出特性分為三個階段： 第一階段：當柵極電壓 VGE 為零時，IGBT 處于關斷狀態(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,，那么會有很小的漏電流流過 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 。如上圖所示,，電流將隨著電壓 VGE的增加而增加,。 09 IGBT 的優(yōu)缺點 IGBT作為一個整體兼有BJT和MOS管的優(yōu)點。 1,、優(yōu)點
2、缺點
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