一文讀懂IGBT「用途、結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點、工作原理」

 在我們實際的應(yīng)用當(dāng)中流行和最常見的電子器件就是常見的雙極結(jié)晶體管BJT和MOS管。雖然BJT和MOS管是流行最常見的元器件，但是在一些相對較高電流的應(yīng)用場景中有時還是會受到限制。這個時候，我們的IGBT就派上用場了。那什么是IGBT呢？IGBT的作用是什么呢？IGBT的工作原理、優(yōu)缺點又有哪些呢？這次我們來好好了解一下什么是IGBT!

一：什么是IGBT？

所謂IGBT 其實便是絕緣柵雙極晶體管的一種簡稱，是一種三端半導(dǎo)體開關(guān)的器件，可用于多種電子設(shè)備中的高效快速開關(guān)的場景中。通常主要用于放大器以及一些通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復(fù)雜的波形。

為了方便理解，我們可以把IGBT看作我們很熟悉的BJT和MOS管的融合體。所以，不難看出，IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。但是與BJT或MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管IGBT的優(yōu)勢便在于它提供了一個比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的MOS管輸入損耗。所以，IGBT往往有著更好的工作特性。

就像上面說的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合集成體，所以IGBT 的符號也代表相同。如下圖所示：可以看到輸入側(cè)代表具有柵子的 MOS管，輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極的 BJT。集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子，柵極是控制開關(guān)操作的控制端子。

IGBT的電路符號與等效電路圖

二：IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了更好了解IGBT,下面我們再來看看它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：一般，IGBT 有三個端子：集電極、發(fā)射極和柵極，他們都是附有金屬層。但是，柵子上的金屬材料具有二氧化硅層。IGBT結(jié)構(gòu)其實就相當(dāng)于是一個四層半導(dǎo)體的器件。四層器件是通過組合 PNP 和 NPN 晶體管來實現(xiàn)的，它們構(gòu)成了 P-N-P-N 排列。如下圖所示，小編簡單繪制了一下IGBT的一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

三：IGBT工作原理

現(xiàn)在我們來談?wù)処GBT的一個工作原理，其實很簡單，與我們熟悉的 BJT 、MOS管類似：

IGBT 的工作原理其實是通過不斷激活和停用其柵子來開啟、關(guān)閉實現(xiàn)的。

如果正輸入的電壓通過柵極，發(fā)射器就會保持驅(qū)動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵的電壓為零或者為負時，則就會關(guān)閉電路應(yīng)用。

正如我們所了解的，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，這也是我們?yōu)槭裁丛谝恍┫鄬^高電流的應(yīng)用場景中往往選用IGBT的一個主要原因。

下面我們詳細做一個對比：相對于傳統(tǒng)的 BJT，我們知道增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們可以將其稱為 Beta 并表示為 β。

對于 MOS管，由于沒有輸入電流，所以柵子是主通道承載電流的隔離。通常我們是通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

小編繪制了一張圖，可以很好地解釋IGBT的工作原理，描述IGBT整個器件工作范圍，如下圖所示：

    IGBT的優(yōu)缺點

    既然IGBT作為一個兼有BJT和MOS管的整體，所以往往它的優(yōu)缺點其實也非常明顯，下面我給大家羅列一下IGBT常見的優(yōu)缺點。

    優(yōu)點：

    1、具有更高的電壓和電流處理能力。

    2、高的輸入阻抗。

    3、可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

    4、電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

    5、柵極驅(qū)動電路簡單且便宜，降低了柵極驅(qū)動的要求

    6、通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或稍微負電壓可以很容易地關(guān)閉它。

    7、具有非常低的導(dǎo)通電阻。

    8、具有高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

    9、具有比BJT和MOS管更高的功率增益。

    10、具有比BJT更高的開關(guān)速度。

    11、可以使用低控制電壓切換高電流電平。

    12、雙極性質(zhì)，增強了傳導(dǎo)性。

    13、安全可靠。

    缺點：

    1、開關(guān)速度低于MOS管。

    2、因為是單向的，在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

    3、不能阻擋更高的反向電壓。

    4、比BJT和MOS管價格更高。

    5、類似于晶閘管的P-N-P-N結(jié)構(gòu)，因此它存在鎖存問題。

上海簡戶儀器設(shè)備有限公司是一家高科技合資企業(yè),生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機、冷熱沖擊機、振動試驗機、機械沖擊機、跌落試驗機的環(huán)境試驗儀器的公司，研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗設(shè)備。經(jīng)驗豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持。自公司成立以來,多次服務(wù)于國內(nèi)外大學(xué)和研究所等檢測機構(gòu),如清華大學(xué)、蘇州大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、法國申美檢測、中科院物理所、中科院，SGS等**單位提供實施室方案和設(shè)備及其相關(guān)服務(wù)。努力開發(fā)半導(dǎo)體、光電、光通訊、航天太空、生物科技、食品、化工、制藥等行業(yè)產(chǎn)品所需的測試設(shè)備裝置。公司擁有一支的研發(fā)、生產(chǎn)和售後隊伍，從產(chǎn)品的研發(fā)到售后服務(wù)，每一個環(huán)節(jié)都以客戶的觀點與需求作為思考的出發(fā)點。

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