深度揭秘 IGBT：从原理、特性到应用的全方位解析
发布时间：2025-02-20
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
标签：IGBT罗姆ROHM
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在电子技术蓬勃发展的当下，各类半导体器件在不同领域发挥着关键作用。其中，绝缘栅双极晶体管（IGBT）凭借其独特的性能和广泛的应用，成为了电子领域中一颗璀璨的明星。IGBT 作为一种三端功率半导体器件，主要承担着电子开关的重任，在众多中到大功率应用场景中不可或缺。同时，IGBT 的并联知识点梳理，如静态变化、动态变化、热系数等内容，对于深入理解和合理运用 IGBT 也十分关键。接下来，让我们一同深入探索 IGBT 的世界，全面了解它的工作原理、特性、安全工作区、产品类型以及在各个领域的重要应用。
IGBT 是一种融合了 MOSFET 和双极晶体管优点的晶体管。它拥有栅极、集电极和发射极 3 个引脚，栅极与 MOSFET 类似，通过电压控制端口，在 N 沟道型的情况下，当栅极施加正电压时，集电极 - 发射极导通，集电极电流得以顺利流过。MOSFET 具有输入阻抗高、开关速度较快的优势，但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，然而存在输入阻抗低和开关速度慢的缺点。IGBT 巧妙地弥补了这两种器件各自的不足，具备高输入阻抗、较快的开关速度（虽比 MOSFET 稍慢，但比双极晶体管快），并且在高电压条件下也能实现低导通电阻，这使得它在众多功率半导体器件中脱颖而出。
IGBT 的工作原理基于其等效电路。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 便会导通。此时，N 沟道 MOSFET 导通，漏极电流流动，进而使 IGBT 导通。在导通期间，空穴从 QPNP 的发射极注入到 N 通道 MOSFET 的高电阻漂移层，导致漂移层的电阻率大大降低，从而降低了导通电阻，这种现象被称为电导率调制。而当关闭栅极信号时，N 沟道 MOSFET 关断，IGBT 也随之关断。
在 IGBT 的规格书中，安全工作区（SOA）是一个重要的概念。它规定了 IGBT 在不发生自损坏或性能不下降的情况下的工作电流和电压条件。实际上，使用 IGBT 时不仅要确保其在安全工作区内运行，还需考虑温度降额。安全工作区分为正向偏置安全工作区（FBSOA）和反向偏置安全工作区（RBSOA）。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，根据具体情况可分为受集电极最大额定电流限制的区域、受集电极耗散限制的区域、受二次击穿限制的区域（该区域会因器件设计而有所不同）以及受集电极 - 发射极最大额定电压限制的区域。反向偏置安全工作区则定义了 IGBT 关断期间的可用电流和电压条件，主要包括受集电极最大额定电流值限制的区域和受集电极 - 发射极最大额定电压限制的区域。在设计电路时，必须密切关注这些区域，因为当 VCE－IC 工作轨迹偏离安全工作区时，产品可能会出现意外故障。例如，反向偏置安全工作区具有温度特性，在高温下会劣化，并且 VCE－IC 的工作轨迹还会根据栅极电阻 Rg 和栅极电压 VGE 而变化，所以在设计 Rg 和 VGE 时，需要充分了解工作环境和关断时的最小栅极电阻值。
市场上的 IGBT 产品类型丰富多样，我们可以根据实际应用情况和安装类型来选择。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。而 IGBT 模块则是由 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，它具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点，封装后的 IGBT 模块可直接应用于变频器、UPS 不间断电源等设备上。还有智能功率模块（IPM），如 Infineon 的 IM241 - L6T2B，它集成了更多功能，为电路设计提供了更大的便利。
IGBT 作为电能转换及应用的核心芯片，在电子开关领域发挥着不可替代的作用，能够有效控制和改变电流的大小与频率。历经多年发展，IGBT 在高压应用中的地位稳固，在新能源逆变器、汽车和储能等热门领域更是发展势头强劲。希望通过本文的介绍，能让大家对 IGBT 有更深入的认识，也欢迎大家一起交流分享，共同探索 IGBT 的更多奥秘。
关键词：IGBT
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