IGBT的工作原理和类型

晶闸管是现代电子学中使用最多的元件，逻辑电路用于开关和放大。BJT和MOSFET是最常用的晶体管类型，它们每个都有自己的优势和一些限制。IGBT(绝缘栅双极晶体管)将BJT和MOSFET的最佳部分结合到一个晶体管中。它具有MOSFET(绝缘栅极)的输入特性(高输入阻抗)和BJT(双极性质)的输出特性。

1、什么是IGBT?

IGBT或绝缘栅双极晶体管是BJT和MOSFET的组合。它的名字也暗示了它们之间的融合。“绝缘栅”是指MOSFET的输入部分具有很高的输入阻抗。它不吸收任何输入电流，而是在其门端电压上工作。“双极”是指BJT的输出部分具有双极性质，其中电流是由两种类型的载流子引起的。它允许它处理非常大的电流和电压使用小电压信号。这种混合组合使IGBT成为电压控制器件。

它是一种具有三个PN结的四层PNPN器件。它有三个终端门(G)，集电极(C)和发射极(E)。终端的名字也意味着取自两个晶体管。栅极终端，因为它是输入部分，取自MOSFET，而集电极和发射极，因为它们是输出，取自BJT。

2、IGBT的建设

IGBT由四层半导体构成PNPN结构。集电极(C)连接在P层上，发射极(E)连接在P层和N层之间。P+衬底用于构建IGBT。在其上放置N层形成PN结J1。在N层上制备了两个P区，形成PN结J2。P区是这样设计的，以便在中间为栅极(G)电极留下一条路径。如图所示，N+区域扩散在P区域上。

发射极和栅极是金属电极。发射器直接连接到N+区域，而栅极则使用二氧化硅层进行绝缘。碱性P+层向N层注入孔洞，这就是为什么它被称为注入层。而N层称为漂移区。其厚度与电压阻断能力成正比。上面的P层被称为IGBT的主体。

所述N层被设计为具有在发射极和集电极之间通过在栅电极电压影响下产生的沟道的电流流过的通路。

3、IGBT的等效结构

我们知道IGBT是MOSFET的输入和BJT的输出的组合，它具有与n沟道MOSFET和PNP BJT在达灵顿配置中的等效结构。漂移区的阻力也可以考虑在内。

如果我们看一下上面IGBT的结构，就会发现电流流动的路径不止一条。电流路径从集电极指向发射极。第一个路径是“集电极，P+衬底，N-， P -发射极”。这个路径已经提到了在等效结构中使用PNP晶体管。第二条路径是“集电极，P+衬底，N-， P, N+，发射极”。为了包含这条路径，必须在结构中包含另一个NPN晶体管，如下图所示。

4、IGBT的工作原理

IGBT集电极(C)和发射极(E)的两个端子用于导通电流，栅极(G)用于控制IGBT。它的工作原理是基于栅极-发射极和集电极-发射极之间的偏置。

将集电极-发射极连接到Vcc，使得集电极保持在比发射极高的正电压。j1变成正向偏置，j2变成反向偏置。此时，栅极处没有电压。由于反向j2, IGBT保持关闭，没有电流将在集电极和发射极之间流动。

施加比发射极正的栅极电压VG，由于电容作用，负电荷将在SiO2层正下方积聚。增加VG会增加电荷的数量，当VG超过阈值电压时，在p区上部最终形成一层电荷。该层形成N-通道，短化N漂区和N+区。

从发射极流出的电子从N+区流入N漂移区。而集电极上的空穴则从P+区注入到N漂移区。由于漂移区中电子和空穴的过量，使其电导率增加，并开始传导电流。因此，IGBT开关打开。

5、IGBT的类型

基于包含N+缓冲层的IGBT有两种类型。这个额外层的包含将它们分为对称的和不对称的IGBT。

打通IGBT

通过IGBT打孔包括N+缓冲层，由于它也被称为不对称IGBT。它们具有不对称的电压阻断能力，即它们的正向和反向击穿电压是不同的。它们的反向击穿电压小于正向击穿电压。它具有更快的切换速度。

通过igbt的穿孔是单向的，不能处理反向电压。因此，它们被用于直流电路，如逆变器和斩波电路。

不通过IGBT打孔

由于没有额外的N+缓冲层，它们也被称为对称IGBT。结构的对称性提供了对称的击穿电压特性，即正向击穿电压和反向击穿电压相等。由于这个原因，它们被用于交流电路中。

6、IGBT的V-I特性

与BJT不同，IGBT是一种电压控制器件，其栅极只需要一个小电压来控制集电极电流。然而，栅极-发射极电压VGE需要大于阈值电压。

IGBT的传输特性显示了输入电压VGE与输出集电极电流IC的关系，当VGE为0v时，没有IC，设备保持关闭状态。当VGE略有增加但保持在阈值电压VGET以下时，器件保持断开状态，但存在漏电流。当VGE超过阈值时，I-C开始增加，设备上电。因为它是一个单向装置，所以电流只向一个方向流动。

该图显示了不同电压梯度下集电极电流与集电极-发射极电压的关系。在VGE < VGET时，IGBT处于截止模式，IC在任何VCE都= 0。当VGE > VGET时，IGBT进入主动模式，IC随着VCE的增加而增加。此外，对于VGE1 < VGE2 < VGE3的每个VGE, IC是不同的。

反向电压不应超过反向击穿极限。正向电压也是。如果它们超过各自的击穿限制，不受控制的电流开始通过它。

与BJT和MOSFET的一般比较

正如我们上面所讨论的，IGBT采用了BJT和MOSFET的最佳部分。因此，它在几乎所有方面都是优越的。以下是IGBT、BJT和MOSFET的一些特性对比图。我们正在比较功率器件的最大性能。

7、IGBT的优点和缺点

优点

IGBT整体上具有BJT和MOSFET的优点。

●具有更高的电压和电流处理能力

●有很高的输入阻抗

●可以用非常低的电压切换非常大的电流

●是电压控制的，即它没有输入电流和低输入损耗

●栅极驱动电路简单、便宜

●可以很容易地通过施加正电压开关开，并通过施加零或轻微负电压开关关

●具有非常低的导通状态电阻

●具有高电流密度，使其具有更小的芯片尺寸

●具有比BJT和MOSFET更高的功率增益

●具有比BJT更高的开关速度

缺点

●具有比MOSFET更低的开关速度

●是单向的，不能反向传导

●不能阻挡更高的反向电压

●比BJT和MOSFET贵

●由于PNPN结构类似晶闸管，存在锁存问题

8、IGBT的应用

IGBT在交流和直流电路中有许多应用。以下是IGBT的一些重要应用。

●用于SMPS(开关模式电源)中，为敏感的医疗设备和计算机供电

●适用于UPS(不间断电源)系统

●用于交流和直流电机驱动器提供速度控制

●用于斩波器和逆变器

●用于太阳能逆变器