一種絕緣柵雙極型晶體管——IGBT

更新時(shí)間：2024-07-09

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什么是IGBT？

絕緣柵雙極晶體管

IGBT是指絕緣柵雙極型晶體管。 IGBT的縮寫(xiě)代表“絕緣柵雙極型晶體管"，IGBT的結(jié)構(gòu)是PNP雙極型晶體管，是在MOSFET中添加了P型半導(dǎo)體。

換句話說(shuō)，等效電路可以被認(rèn)為是輸入部分具有 N 溝道 MOSFET 且輸出部分具有 PNP 雙極晶體管的復(fù)合晶體管電路配置。另一方面，由于可以說(shuō)在雙極晶體管部分的基礎(chǔ)上具有MOSFET結(jié)構(gòu)，因此具有能夠以小電流產(chǎn)生非常大的輸出電流的特性。

它是一種高性能半導(dǎo)體，比它所基于的 MOSFET 具有更高的耐壓性和更低的損耗。它還具有產(chǎn)生熱量較少的優(yōu)點(diǎn)。 IGBT是日本20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體，當(dāng)時(shí)的結(jié)構(gòu)稱為穿通型。

近年來(lái)，晶圓工藝的進(jìn)步導(dǎo)致進(jìn)一步小型化和低成本，并且正在制造非穿通結(jié)構(gòu)和場(chǎng)截止型的IGBT器件。

IGBT的使用

典型應(yīng)用包括變速驅(qū)動(dòng)器和電源轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈兗词乖诟吖β使ぷ鳁l件下也能保持高速。 IGBT的應(yīng)用范圍很廣，大型產(chǎn)品用于逆變器，控制混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、火車(chē)等車(chē)輛中的高輸出三相電機(jī)。

還廣泛應(yīng)用于IH炊具、洗衣機(jī)、空調(diào)變頻電路、打印機(jī)等大型家電的電源控制。隨著近年來(lái)節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步，能夠減少功率損耗的IGBT正在被越來(lái)越多的應(yīng)用。

IGBT原理

正如開(kāi)頭所解釋的，IGBT 具有輸入部分為 MOSFET、輸出部分為雙極晶體管的結(jié)構(gòu)，并且具有結(jié)合了各自特性的特性。 IGBT具有在MOSFET中添加P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，其載流子有電子和空穴兩種類(lèi)型。

由于有兩種類(lèi)型的載流子，因此開(kāi)關(guān)速度比MOSFET慢，但比雙極晶體管快，并且耐壓比MOSFET提高。當(dāng)從作為端子輸入部分的柵極施加電壓時(shí)，電流從MOSFET流出，當(dāng)電流傳導(dǎo)到P型半導(dǎo)體時(shí)，雙極晶體管的特性是它可以放大微小的電流。電流量并導(dǎo)致發(fā)射極和集電極之間有大電流流動(dòng)。

此外，與雙極晶體管一樣，發(fā)生電導(dǎo)率調(diào)制，因此可以降低導(dǎo)通電阻并可以增加電流密度。由于集電極和發(fā)射極之間存在恒定的壓降，因此當(dāng)電流較大時(shí)，它們可以比 MOSFET 具有更低的損耗。

有關(guān) IGBT 的其他信息

1. 關(guān)于使用 IGBT 的逆變電路

逆變器電路是與交流到直流轉(zhuǎn)換器電路配合使用的直流到交流轉(zhuǎn)換電路。該逆變器電路中使用 IGBT，輸出不同電壓和頻率的交流電。

開(kāi)關(guān) IGBT、調(diào)整 ON 和 OFF 間隔以及調(diào)整脈沖寬度。通過(guò)生成和整形不同的脈沖波，我們可以使它們更接近正弦波。這稱為脈沖寬度調(diào)制，這里經(jīng)常使用 IGBT。

通過(guò)使用脈寬調(diào)制的變頻來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制家用電器的功能。廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冰箱、工業(yè)電機(jī)、電腦電源等家用電器。

2. IGBT和MOSFET的區(qū)別

IGBT 通常被描述為結(jié)合了 MOSFET 和 BJT（雙極結(jié)晶體管）最佳特性的器件，但與 MOSFET 相比，它們實(shí)際上有一些缺點(diǎn)。由于 IGBT 因其結(jié)構(gòu)而具有偏置啟動(dòng)電壓，因此 MOSFET 器件通常具有較低的 Vds，尤其是在低電流范圍內(nèi)。

IGBT 是專注于中高電流范圍的器件，因此在此范圍內(nèi)它們表現(xiàn)出比 MOSFET 更低的導(dǎo)通電阻，但在低功率范圍內(nèi)的效率很重要的應(yīng)用中，MOSFET 是更優(yōu)選的特性。。不用說(shuō)，在Vds小于1V的區(qū)域，MOSFET在Vds = 2V以下的效率方面更勝，而IGBT在更高電壓下更勝。

3、關(guān)于IGBT模塊

由于 IGBT 是復(fù)雜的器件，因此需要花費(fèi)精力來(lái)組裝它們，以便從頭開(kāi)始控制其運(yùn)行。因此，將信號(hào)處理、放大器電路、保護(hù)電路、寄生二極管等控制部分組合成復(fù)合模塊的IGBT模塊得到廣泛商業(yè)化。

IGBT 是一種晶體管，如果超出 SOA（安全操作區(qū)）或絕對(duì)最大額定值，很容易被損壞，因此有些具有內(nèi)置保護(hù)電路。 IGBT的開(kāi)發(fā)是為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓和開(kāi)關(guān)速度，并且多年來(lái)一直在改進(jìn)，但使用SiC和GaN等新型化合物半導(dǎo)體材料的功率半導(dǎo)體器件最近開(kāi)始被引入該功率器件領(lǐng)域。

這些下一代功率半導(dǎo)體器件能夠?qū)崿F(xiàn)比 IGBT 更快的開(kāi)關(guān)操作，并且具有優(yōu)異的耐壓性，因此近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越活躍。但仍有一些問(wèn)題需要克服，例如成本和供應(yīng)問(wèn)題，并且它不會(huì)取代當(dāng)前所有的IGBT市場(chǎng)領(lǐng)域，暫時(shí)仍將繼續(xù)分離。

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