IGBT等效电路及符号解析

绝缘栅双极晶体管，简称IGBT，是双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的组合，一种用于开关相关应用的半导体器件。

由于IGBT是MOSFET和BJT晶体管的组合，它具有BJT晶体管和MOSFET的优点。MOSFET具有高开关速度和高阻抗的优点，另一方面BJT具有高增益和低饱和电压的优点，两者都存在于IGBT晶体管中。由于IGBT是一种压控半导体元件，因此可实现大集电极发射极电流，栅极电流驱动几乎为零。

如前所述，IGBT具有MOSFET和BJT的双重优点，所以IGBT具有与典型MOSFET相同的绝缘栅极和相同的输出传输特性。虽然BJT是电流控制器件，但对于IGBT来说，控制依赖于MOSFET，因此它是电压控制器件，相当于标准的MOSFET。

IGBT等效电路及符号

IGBT终端被标记为Collector，Emitter和Gate，它的两个端子 ( CE ) 与通过电流的电导路径相关联，而它的第三个端子 ( G ) 控制设备。

上图显示了IGBT的等效电路，它与达林顿晶体管中使用的电路结构相同，其中两个晶体管的连接方式完全相同。如上图所示，IGBT结合了两个器件，N沟道MOSFET和PNP晶体管。N沟道MOSFET驱动PNP晶体管。标准BJT的引脚输出包括集电极、发射极、基极，标准MOSFET引脚输出包括栅极、漏极和源极。但在IGBT晶体管引脚的情况下是栅极，它来自N沟道MOSFET，而集电极和发射极来自PNP晶体管。

在PNP晶体管中，集电极和发射极是传导路径，当IGBT导通时，它会导通并承载电流，该路径由N沟道MOSFET控制。

在BJT的情况下，可以通过将输出电流除以输入电流来计算增益，表示为Beta ( ) 。

β = 输出电流 / 输入电流

但是，MOSFET不是电流控制器件，它是一个电压控制器件，MOSFET的栅极没有输入电流。因此，用于计算BJT增益的相同公式不适用于MOSFET。MOSFET的栅极与电流传导路径隔离。MOSFET的栅极电压改变了输出电流的导通，因此增益是输出电压变化与输入电压变化的比值，这对于IGBT来说也是适用的。所以，IGBT的增益是输出电流变化与输入栅极电压变化的比率。

在上图中，显示了IGBT的符号。可以看到，该符号包括晶体管的集电极发射极部分和MOSFET的栅极部分。

当处于导通或“开”模式时，电流从集电极流向发射极。BJT晶体管也会发生同样的事情。但是在IGBT的情况下，有栅极而不是基极。栅极与发射极之间的电压差称为Vge，集电极与发射极之间的电压差称为Vce。

发射极电流 (Ie)与集电极电流 (Ic)几乎相同，即Ie = Ic。由于集电极和发射极的电流相对相同，因此Vce非常低。

IGBT主要应用

IGBT主要用于与电源相关的应用。标准功率BJT具有非常慢的响应特性，而MOSFET适用于快速开关应用，但在需要更高额定电流的情况下，MOSFET是一种昂贵的选择。IGBT适用于替代功率BJT和功率 MOSFET。

此外，与BJT相比， IGBT提供更低的“导通”电阻，并且由于这一特性，IGBT在高功率相关应用中具有热效率。

IGBT在电子领域的应用非常广泛，由于低导通电阻、非常高的额定电流、高开关速度、零栅极驱动， IGBT用于大功率电机控制、逆变器、具有高频转换领域的开关模式电源。

在上图中，显示了使用IGBT的基本开关应用。RL是通过IGBT的发射极连接到地的电阻负载。负载两端的电压差表示为VRL。负载也可以是感性的。右侧显示了不同的电路。负载连接在集电极上，而电流保护电阻则连接在发射极上。在这两种情况下，电流都会从集电极流向发射极。

在BJT的情况下，需要在BJT的基极上提供恒定电流。但是在IGBT的情况下，与MOSFET一样，需要在栅极上提供恒定电压，并将饱和度保持在恒定状态。

在左侧情况下，电压差VIN是输入(栅极)与接地 / VSS的电位差，控制从集电极流向发射极的输出电流。负载上的VCC和GND之间的电压差几乎相同。

在右侧电路中，流过负载的电流取决于电压除以RS值，即：

I RL2 = V IN / R S

IGBT可以通过激活栅极来切换“开”和“关”。如果我们通过在栅极上施加电压使栅极更正，则IGBT的发射极将IGBT保持在“导通”状态，如果使栅极为负或零推动，则IGBT将保持在“关”状态，它与BJT和 MOSFET开关相同。

IGBT IV曲线和传输特性

在上图中，根据不同的栅极电压或Vge显示了IV特性。X轴表示集电极发射极电压或Vce，Y轴表示集电极电流。在关断状态下，流过集电极和栅极电压的电流为零。当我们改变Vge或栅极电压时，器件进入有源区。栅极上的稳定和连续电压提供通过集电极的连续和稳定的电流。Vge的增加按比例增加集电极电流，Vge3 > Vge2 > Vge3。BV是IGBT的击穿电压。

另外，该曲线与BJT的IV传输曲线几乎相同，但此处显示Vge是因为IGBT是电压控制器件。

在上图中，显示了IGBT传输特性，它与PMOSFET几乎相同。在Vge大于取决于IGBT规格的阈值后，IGBT将进入“ ON ”状态。

以下是一个比较表，可以清楚地了解IGBT与功率BJT和功率MOSFET之间的区别。

总结

IGBT绝缘栅双极晶体管是一种半导体开关器件，具有双极结型晶体管BJT的输出特性，但像金属氧化物场效应晶体管MOSFET一样被控制。

IGBT的主要优点之一是其简单性，可以通过施加正栅极电压将其驱动为“ON”，或通过使栅极信号为零或略微为负而将其切换为“OFF”，从而使其可用于各种的切换应用程序。

此外，IGBT还具有较低的通态电阻和传导损耗，以及在高频下切换高压而不损坏的能力，因此非常适合驱动线圈绕组、电磁体和直流电机等电感负载，应用非常的广泛。