作者@@： Barley Li，来源@@： 得捷电子@@@@DigiKey微信公众号@@
绝缘栅双极晶体管@@@@（IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种三端功率半导体器件@@，主要用作电子@@开关@@，在@@较新的@@器件中以结合高效和@@快速开关而闻名@@。IGBT通过在@@单个器件中组合用于控制输入的@@隔离栅极@@FET和@@作为开关的@@双极功率晶体管@@@@，将@@MOSFET的@@简单栅极驱动特性与@@双极晶体管@@的@@高电流和@@低饱和@@电压能力相结合@@。IGBT用于中到大功率应用@@，如开关电源@@、牵引电机控制和@@感应加热@@。
图@@1. IGBT 电路图@@符号@@
1. IGBT特点@@
IGBT具有栅极@@、集电极@@、发射极@@3个引脚@@。栅极与@@@@MOSFET相同@@，集电极@@和@@发射极@@与@@双极晶体管@@相同@@@@。IGBT与@@MOSFET一样通过电压控制端口@@，在@@N沟道@@型的@@情况下@@，对于发射极@@而言@@，在@@栅极施加正电压时@@@@，集电极@@-发射极@@导通@@@@，流过@@集电极@@电流@@@@。我们将@@另行介绍其工作和@@驱动方法@@。
IGBT是结合了@@MOSFET和@@双极晶体管@@优点的@@晶体管@@@@。MOSFET由@@于@@栅极是隔离的@@@@，因此@@具有输入阻抗高@@、开关速度较快的@@优点@@，但缺点是在@@高电压时@@导通@@电阻较高@@。双极晶体管@@即使在@@高电压条件下导通@@电阻也很低@@，但存在@@输入阻抗低和@@开关速度慢@@的@@缺点@@。通过弥补这两种器件各自的@@缺点@@，IGBT成为一种具有高输入阻抗@@、开关速度快@@ (IGBT开关速度比@@MOSFET慢@@，但仍比双极晶体管@@快@@。) ，即使在@@高电压条件下也能实现低导通@@电阻的@@晶体管@@@@。
2. IGBT 的@@工作原理@@
当向发射极@@施加正的@@集电极@@电压@@VCE，同时@@向发射极@@施加正的@@栅极电压@@VGE时@@，IGBT便能导通@@@@，集电极@@和@@发射极@@导通@@@@@@，集电极@@电流@@IC流过@@。
图@@2. IGBT近似的@@等效电路@@
IGBT的@@等效电路如上图@@所示@@。当栅极@@-发射极@@（G-E）和@@集电极@@@@-发射极@@（C-E）通路均发生正偏置时@@@@，N沟道@@MOSFET导通@@，导致漏极电流流动@@@@。该漏极电流也流向@@QPNP的@@基极并导致@@IGBT导通@@。由@@于@@QPNP的@@直流电流增益@@（α）非常小@@，因此@@几乎整个发射极@@电流@@（IE(pnp)）都作为基极电流@@（IB(pnp)）流动@@。但部分@@IE(pnp)会作为集电极@@电流@@@@（IC(pnp)）流动@@。IC(pnp)无法开启@@QNPN，因为它绕过了@@QNPN基极和@@发射极@@之间插入的@@@@RBE。
因此@@，IGBT的@@几乎所有集电极@@电流@@都通过@@QPNP的@@发射极@@@@-基极通路作为@@N沟道@@MOSFET的@@漏极电流流动@@@@。此时@@@@，空穴从@@QPNP的@@发射极@@@@注入到@@N通道@@MOSFET的@@高电阻漂移层@@。这导致漂移层的@@电阻率@@（Rd(MOS））大大降低@@，从而降低了导通@@期间的@@导通@@电阻@@。这种现象称为电导率调制@@。
关闭栅极@@（G）信号会导致@@N沟道@@MOSFET关断@@，从而导致@@IGBT关断@@。
3. 安全工作区@@
在@@IGBT的@@规格书中@@，可能会看到安全工作区@@@@（SOA, Safe Operating Area），例如@@ROHM的@@ RGS30TSX2DHR 如下图@@所示@@。这个安全工作区@@是指什么@@？
图@@3. Rohm的@@RGS30TSX2DHR 安全工作区@@ （图@@片@@来源@@@@ROHM）
IGBT 的@@安全工作区@@@@（SOA）是使@@IGBT在@@不发生自损坏或@@性能沒有下降的@@情况下的@@工作电流和@@电压条件@@。实际上@@，不仅需要在@@安全工作区@@内使用@@IGBT，还需对其所在@@区域实施温度降额@@。安全工作区@@分为正向偏置安全工作区@@@@@@（FBSOA, Forward Bias Safe Operating Area）和@@反向偏置安全工作区@@@@@@（RBSOA, Reverse Bias Safe Operating Area）。
3.1 正向偏置安全工作区@@@@
正向偏置安全工作区@@@@定义了@@IGBT导通@@期间的@@可用电流和@@电压条件@@。
图@@4. RGS30TSX2DHR 的@@正向偏置安全工作区@@@@@@ （图@@片@@来源@@@@ROHM）
上图@@是@@RGS30TSX2DHR 的@@正向偏置安全工作区@@@@@@，可以根据具体情况分为@@4个领域@@，如下所述@@:
3.2 反向偏置安全工作区@@@@
反向偏置安全工作区@@@@定义了@@IGBT关断@@期间的@@可用电流和@@电压条件@@。
图@@5. RGS30TSX2DHR 的@@反向偏置@@安全工作区@@@@@@ （图@@片@@来源@@@@ROHM）
上图@@是@@RGS30TSX2DHR 的@@反向偏置@@SOA可以简单分为@@2个有限区域@@，如下所述@@:
请注意@@，当设计@@的@@@@ VCE－IC工作轨迹偏离产品@@本身安全工作区@@时@@@@，产品@@可能会发生出现意外故障@@。因此@@，在@@设计@@电路时@@@@，在@@确定与@@击穿容限相关的@@具体特性和@@电路常数时@@@@，必须密切注意耗散和@@其他性能问题@@。例如@@，反向偏置安全工作区@@@@具有温度特性@@（在@@高温下劣化@@），VCE－IC的@@工作轨迹根据栅极电阻@@Rg和@@栅极电压@@VGE而变化@@。
因此@@，有必要在@@了解工作环境和@@关断@@时@@的@@最小栅极电阻值后@@，才进行@@Rg和@@ VGE设计@@。
4. 不同类型@@IGBT 产品@@
市场上有不同类型@@的@@@@ IGBT 产品@@，我们可以根据实际应用情况@@、安装类型@@（例如@@通孔@@、面板安装或@@表面安装@@）来挑选@@。
IGBT单管@@
将@@MOSFET的@@简单栅极驱动特性与@@双极晶体管@@的@@高电流和@@低饱和@@电压能力相结合@@。
图@@6. IXYS 的@@IXYH16N170C
IGBT模块@@
由@@IGBT与@@二极管通过特定的@@电路桥接封装而成的@@模块@@化半导体产品@@@@ 。封装后的@@@@IGBT模块@@可以直接应用于变频器@@、UPS不间断电源等设备@@上@@。IGBT模块@@具有节能@@、安装维修方便@@、散热稳定等特点@@@@。
图@@7.Infineon的@@ FZ800R12KE3
图@@8. Infineon 的@@ IM241-L6T2B 智能功率模块@@@@ (IPM)
总结@@
IGBT 是一种功率半导体器件@@，用于电子@@开关@@，控制和@@改变电流的@@大小频率@@，是电能转换及应用的@@核心芯片@@。由@@于@@篇幅有限@@，IGBT 涉及的@@技术@@内容@@、应用领域很广@@，所以欢迎大家在@@文末交流分享@@，一起讨论学习@@。