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

 在我們實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中流行和最常見(jiàn)的電子器件就是常見(jiàn)的雙極結(jié)晶體管BJT和MOS管。雖然BJT和MOS管是流行最常見(jiàn)的元器件，但是在一些相對(duì)較高電流的應(yīng)用場(chǎng)景中有時(shí)還是會(huì)受到限制。這個(gè)時(shí)候，我們的IGBT就派上用場(chǎng)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(diǎn)又有哪些呢？這次我們來(lái)好好了解一下什么是IGBT!

一：什么是IGBT？

所謂IGBT 其實(shí)便是絕緣柵雙極晶體管的一種簡(jiǎn)稱，是一種三端半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的器件，可用于多種電子設(shè)備中的高效快速開(kāi)關(guān)的場(chǎng)景中。通常主要用于放大器以及一些通過(guò)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(shì)便在于它提供了一個(gè)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(shuō)的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合集成體，所以IGBT 的符號(hào)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(kāi)關(guān)操作的控制端子。

IGBT的電路符號(hào)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?cè)賮?lái)看看它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：一般，IGBT 有三個(gè)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(shí)就相當(dāng)于是一個(gè)四層半導(dǎo)體的器件。四層器件是通過(guò)組合 PNP 和 NPN 晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它們構(gòu)成了 P-N-P-N 排列。如下圖所示，小編簡(jiǎn)單繪制了一下IGBT的一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

三：IGBT工作原理

現(xiàn)在我們來(lái)談?wù)処GBT的一個(gè)工作原理，其實(shí)很簡(jiǎn)單，與我們熟悉的 BJT 、MOS管類似：

IGBT 的工作原理其實(shí)是通過(guò)不斷激活和停用其柵子來(lái)開(kāi)啟、關(guān)閉實(shí)現(xiàn)的。

如果正輸入的電壓通過(guò)柵極，發(fā)射器就會(huì)保持驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)啟。另一方面，如果 IGBT 的柵的電壓為零或者為負(fù)時(shí)，則就會(huì)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(shí)現(xiàn)的放大量是其輸出信號(hào)和控制輸入信號(hào)之間的比率，這也是我們?yōu)槭裁丛谝恍┫鄬?duì)較高電流的應(yīng)用場(chǎng)景中往往選用IGBT的一個(gè)主要原因。

下面我們?cè)敿?xì)做一個(gè)對(duì)比：相對(duì)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(duì)于 MOS管，由于沒(méi)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(guò)將輸出電流變化除以輸入電壓變化來(lái)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(gè)器件工作范圍，如下圖所示：

    IGBT的優(yōu)缺點(diǎn)

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

    優(yōu)點(diǎn)：

    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(méi)有輸入電流和低輸入損耗。

    5、柵極驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且便宜，降低了柵極驅(qū)動(dòng)的要求

    6、通過(guò)施加正電壓可以很容易地打開(kāi)它，通過(guò)施加零電壓或稍微負(fù)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(kāi)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(qiáng)了傳導(dǎo)性。

    13、安全可靠。

    缺點(diǎn)：

    1、開(kāi)關(guān)速度低于MOS管。

    2、因?yàn)槭菃蜗虻?，在沒(méi)有附加電路的情況下無(wú)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(jià)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(wèn)題。

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