一文读懂IGBT「用途、结构、优缺点、工作原理」

 在我们实际的应用当中流行和最常见的电子器件就是常见的双极结晶体管BJT和MOS管。虽然BJT和MOS管是流行最常见的元器件，但是在一些相对较高电流的应用场景中有时还是会受到限制。这个时候，我们的IGBT就派上用场了。那什么是IGBT呢？IGBT的作用是什么呢？IGBT的工作原理、优缺点又有哪些呢？这次我们来好好了解一下什么是IGBT!

一：什么是IGBT？

所谓IGBT 其实便是绝缘栅双极晶体管的一种简称，是一种三端半导体开关的器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关的场景中。通常主要用于放大器以及一些通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

为了方便理解，我们可以把IGBT看作我们很熟悉的BJT和MOS管的融合体。所以，不难看出，IGBT具有BJT的输入特性和MOS管的输出特性。但是与BJT或MOS管相比，绝缘栅双极型晶体管IGBT的优势便在于它提供了一个比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的MOS管输入损耗。所以，IGBT往往有着更好的工作特性。

就像上面说的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合集成体，所以IGBT 的符号也代表相同。如下图所示：可以看到输入侧代表具有栅子的 MOS管，输出侧代表具有集电极和发射极的 BJT。集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。

IGBT的电路符号与等效电路图

二：IGBT内部结构

为了更好了解IGBT,下面我们再来看看它的内部结构：一般，IGBT 有三个端子：集电极、发射极和栅极，他们都是附有金属层。但是，栅子上的金属材料具有二氧化硅层。IGBT结构其实就相当于是一个四层半导体的器件。四层器件是通过组合 PNP 和 NPN 晶体管来实现的，它们构成了 P-N-P-N 排列。如下图所示，小编简单绘制了一下IGBT的一个内部结构。

三：IGBT工作原理

现在我们来谈谈IGBT的一个工作原理，其实很简单，与我们熟悉的 BJT 、MOS管类似：

IGBT 的工作原理其实是通过不断激活和停用其栅子来开启、关闭实现的。

如果正输入的电压通过栅极，发射器就会保持驱动电路开启。另一方面，如果 IGBT 的栅的电压为零或者为负时，则就会关闭电路应用。

正如我们所了解的，由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率，这也是我们为什么在一些相对较高电流的应用场景中往往选用IGBT的一个主要原因。

下面我们详细做一个对比：相对于传统的 BJT，我们知道增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同，我们可以将其称为 Beta 并表示为 β。

对于 MOS管，由于没有输入电流，所以栅子是主通道承载电流的隔离。通常我们是通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。

小编绘制了一张图，可以很好地解释IGBT的工作原理，描述IGBT整个器件工作范围，如下图所示：

    IGBT的优缺点

    既然IGBT作为一个兼有BJT和MOS管的整体，所以往往它的优缺点其实也非常明显，下面我给大家罗列一下IGBT常见的优缺点。

    优点：

    1、具有更高的电压和电流处理能力。

    2、高的输入阻抗。

    3、可以使用非常低的电压切换非常高的电流。

    4、电压控制装置，即它没有输入电流和低输入损耗。

    5、栅极驱动电路简单且便宜，降低了栅极驱动的要求

    6、通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。

    7、具有非常低的导通电阻。

    8、具有高电流密度，使其能够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更高的开关速度。

    11、可以使用低控制电压切换高电流电平。

    12、双极性质，增强了传导性。

    13、安全可靠。

    缺点：

    1、开关速度低于MOS管。

    2、因为是单向的，在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。

    3、不能阻挡更高的反向电压。

    4、比BJT和MOS管价格更高。

    5、类似于晶闸管的P-N-P-N结构，因此它存在锁存问题。

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