絕緣柵雙極晶體管（英語：Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT），是半導(dǎo)體器件的一種，主要用于電動(dòng)車輛、鐵路機(jī)車及動(dòng)車組的交流電電動(dòng)機(jī)的輸出控制。傳統(tǒng)的BJT導(dǎo)通電阻小，但是驅(qū)動(dòng)電流大，而MOSFET的導(dǎo)通電阻大，卻有著驅(qū)動(dòng)電流小的優(yōu)點(diǎn)。IGBT正是結(jié)合了這兩者的優(yōu)點(diǎn)：不僅驅(qū)動(dòng)電流小，導(dǎo)通電阻也很低。

構(gòu)造

　　這種晶體管結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的高電流單柵控制特性及雙極性晶體管的低飽和電壓的能力，在單一的IGBT器件里，會(huì)透過把一個(gè)隔離的場效應(yīng)晶體管（FET）結(jié)合，作為其控制輸入，并以雙極性晶體管作開關(guān)。

用途和特征

　　絕緣柵雙極晶體管其基本包裝為三個(gè)端點(diǎn)的功率級半導(dǎo)體元件，其特點(diǎn)為高效率及切換速度快，為改善功率級BJT運(yùn)作的工作狀況而誕生。

　　IGBT結(jié)合了場效晶體管柵極易驅(qū)動(dòng)的特性與雙極性晶體管耐高電流與低導(dǎo)通電壓壓降特性，IGBT通常用于中高容量功率場合，如切換式電源供應(yīng)器、馬達(dá)控制與電磁爐。大型的IGBT模組應(yīng)用于數(shù)百安培與六千伏特的電力系統(tǒng)領(lǐng)域，其模組內(nèi)部包含數(shù)個(gè)單一IGBT元件與保護(hù)電路。

　　IGBT為近數(shù)十年發(fā)明產(chǎn)物，第一代IGBT產(chǎn)品于1980年代與1990年初期，但其切換速度不快且開關(guān)截止時(shí)易產(chǎn)生拴鎖現(xiàn)象與二次崩潰現(xiàn)象，第二代IGBT產(chǎn)品便有很大的進(jìn)展，第三代IGBT產(chǎn)品為目前主流，其切換速度直逼功率級MOSFET的速度并且在電壓電流容量上有很大的進(jìn)步。

原理

　　IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏溝道，而這個(gè)溝道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高耐壓的器件上，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。

導(dǎo)通

　　IGBT的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET十分相似，主要差異是IGBT增加了P+基片和一個(gè)N+緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個(gè)部分），如等效電路圖所示，其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件。

　　基片的應(yīng)用在管體的P+和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)，當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功MOSFET的方式產(chǎn)生電流。如果電子流產(chǎn)生的電壓在0.7 V范圍內(nèi)，那么J1將處于正向偏壓狀態(tài)，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電子流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌匆粋€(gè)電子流（MOSFET電流）和空穴電流（雙極）。

關(guān)斷

　　當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)洌瑢哟魏穸群蜏囟取Ｉ僮拥乃p使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起功耗升高和交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。

　　鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度，以及與IC和VCE密切相關(guān)的空穴移動(dòng)性有密切關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。

阻斷與閂鎖

　　當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)，J1受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個(gè)層面的厚度，將無法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。

　　另一方面，如果過大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會(huì)連續(xù)地提高壓降，因此IC和電荷移動(dòng)速度相同時(shí)，NPT器件的壓降比等效PT器件的高。

　　當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，P/N J3結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

　　IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管，如圖1所示。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì)引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖。具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件狀態(tài)關(guān)系密切：通常情況下，當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)，只在關(guān)斷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別；降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。

　　此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會(huì)升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1:5。

應(yīng)用范圍

　　電聯(lián)車或電動(dòng)車輛之馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、變頻冷氣、變頻冰箱，甚至是大瓦特輸出音響放大器的音源驅(qū)動(dòng)元件。IGBT特點(diǎn)在于可以大功率場合可以快速做切換動(dòng)作，因此通常應(yīng)用方面都配合脈沖寬度調(diào)變（Pulse Width Modulation,PWM）與低通濾波器（Low-pass Filters）。

　　由于半導(dǎo)體元件技術(shù)的精進(jìn)，半導(dǎo)體源料品質(zhì)的提升，IGBT單價(jià)價(jià)格越來越便宜，其應(yīng)用范圍更貼近家用產(chǎn)品范圍，不再只是高功率級的電力系統(tǒng)應(yīng)用范疇，如電動(dòng)車輛與混合動(dòng)力車的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器便是使用IGBT元件，豐田汽車第二代混合動(dòng)力車Prius II便使用50kw IGBT模組變頻器控制兩組交流馬達(dá)/發(fā)電機(jī)以便與直流電池組作電力能量之間的轉(zhuǎn)換。

關(guān)于絕緣柵雙極晶體管，小編為大家就分享這些。歡迎聯(lián)系我們合運(yùn)電氣有限公司，以獲取更多相關(guān)知識。