IGBT工作原理及与BJT、MOSFET的关系解析

IGBT是具有MOS结构的双极器件，属于功率MOSFET高速性能和双极性能的高速性能。IGBT的应用范围一般在耐压600V以上、电流10A以上、频率1kHz以上的领域。它主要用于工业电动机，平民小容量电动机，转换器（逆变器），摄影机的频闪，感应加热等。

IGBT 是垂直功率 MOSFET 的自然演变，适用于高电流、高电压应用和快速终端设备。

MOSFET需要源漏沟道来实现较高的击穿电压BVDSS，但该道具有高电阻率，因此功率MOSFET具有高RDS(on)值的特性，并且IGBT消除了现有的功率MOSFET。这些是主要缺点。尽管最新一代功率MOSFET器件的RDS(on)特性得到了很大改善，但在高水平上，功率传导损耗仍然远高于IGBT。与相同的标准双极器件相比，IGBT 的压降更低，能够转换为低 VCE(sat)，而且 IGBT 的结构支持更高的电流密度，并简化了 IGBT 驱动器的原理图。

为什么说IGBT是BJT和MOSFET组成的器件呢？

要了解IGBT、BJT、MOSFET之间的关系，需要对这三者的内部结构和工作原理有一个大致的了解。在EasyBom下方，将以最简单易于理解的方式向您解释它。

双极结型晶体管

双极晶体管通常称为三极管。下图显示了内部结构（以PNP类型BJT为例）。

双极意味着有两种类型的载流子：空穴和电子参与传导。由于BJT称为双极晶体管，因此必须有孔和载体。了解这两个载流子的运动是理解BJT工作原理的关键。

由于图中e（发射极）P区空穴浓度大于b（基极）N区空穴浓度，因此发生空穴扩散，即空穴从P区扩散到N区。同理，e（发射极）P区的电子浓度小于b（基极）N区的电子浓度，因此电子也会从N区扩散到P区。

这种运动最终会导致发射结上出现从N区到P区的电场，即内建电场。电场将阻止P区空穴继续扩散到N区。如果我们在发射结上加上正偏压（p正n负）来减弱内建电场的影响，空穴就可以继续扩散到N区。

扩散到N区的空穴一部分与N区的大部分载流子电子复合，另一部分在集电极结反向偏压（p负n正）的条件下通过漂移到达集电极，形成集电极电流。

值得注意的是，在N区域的电子被P区域的孔重新组合后，N区域中的电子不会不足，因为B电极（基数）将提供稳定的电子流以确保上述过程可以持续进行。对这一部分的理解对于以后了解IGBT和BJT之间的关系非常有帮助。

场效应管

金属氧化物半导体场效应晶体管简称场效应晶体管。内部结构（以N-MOSFET为例）如下图所示。 

在P型半导体底物上进行了两个N+区域，一个被称为源区域，另一个称为排水区域。漏极和源极之间是沟道区的横向距离。在通道区域的表面上，有一个由热氧化产生的氧化物层作为介电，称为绝缘栅极。在源区域，排水区域和绝缘栅极作为铅电极（即源电极），电极（d）和栅极电极（g）上蒸发一层铝。 。

MOSFET是压控器件，其开通和关断由栅极电压控制。我们从图中观察发现，N-MOSFET的源极S和漏极D之间有两个背对背的PN结。当不使用登机源电压VG时，无论排水源VDS如何，反向偏置状态中总是有PN连接处，排水管和源之间都没有导电通道，并且设备无法转动。在。

但如果VGS的正向足够大，栅极G与衬底p之间的绝缘层中就会产生电场，方向从栅极指向衬底，电子就会聚集在栅极G上。在电场的作用下，门氧化物的下表面。形成N型薄层（通常为数nm），将左右N+区连接起来，形成导通沟道，如图中黄色区域所示。当VDS> 0V时，n-mosfet被打开并起作用。

IGBT

了解完以PNP为例的BJT结构和以N-MOSFET为例的MOSFET结构后，我们来看一下IGBT。

IGBT结构和工作原理与上述N-MOSFET基本相同。当VGE>0V且VCE>0V时，IGBT表面也会形成沟道。电子从n个区域开始，流过通道区域，并注入N漂移区域。n 漂移区类似于 N-MOSFET 的漏极。

蓝色虚线与BJT结构类似。流入N漂移区域的电子继续向PNP晶体管的N区域提供电子，从而确保PNP晶体管的基本电流。我们向其添加一个正向偏置电压VCE，以使PNP沿向前方向打开，并且IGBT设备正常工作。

这就是为什么定义中说 IGBT 是由 BJT 和 MOSFET 组成的器件。

IGBT和BJT和MOSFET之间的因果关系

BJT出现在MOSFET之前，MOSFET出现在IGBT之前，因此我们从中间MOSFET的出现中解释了三个因果关系。

MOSFET的出现可以追溯到1930年代初。1930年德国科学家Lilienfeld提出的场效应晶体管的概念引起了该领域许多科学家的兴趣。贝尔实验室的巴丁和布拉顿无意中发明了电接触双极晶体管（BJT）。

两年后，同样来自贝尔实验室的肖克利用少数载流子注入理论阐明了BJT的工作原理，并提出了实用结型晶体管的概念。

1960年，埃及科学家Attala和韩国科学家Kahng在用二氧化硅改善BJT性能的过程中，意外地发明了MOSFET场效应晶体管。自此，MOSFET正式进入功率半导体行业，并逐渐成为主力之一。

到目前为止，MOSFET主要用于中型和中型应用，例如计算机电源和家用电器。它具有高门输入阻抗，低驾驶功率，强大的电流关闭能力，快速开关速度和低开关损耗的优势。

随着下游应用的发展越来越快，MOSFET目前的能力显然不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻，人们尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度来降低导通电阻，但衬底掺杂浓度的增加会降低导通电阻。器件的耐受电压。这显然不是一个理想的改进方式。

但如果在MOSFET结构的基础上引入双极型BJT结构，不仅可以保留MOSFET原有的优点，还可以通过BJT的少数载流子注入效应来调制n漂移区的电导率。结构，从而有效降低n漂移区的电阻率，提高器件的电流能力。

经过不断改进，IGBT已能够覆盖600V至6500V的电压范围，应用涵盖工业电源、逆变器、新能源汽车、新能源发电、轨道交通、国家电网、电力等一系列领域。很快。IGBT凭借其输入阻抗高、驱动电路简单、开关损耗低等特点，在庞大的功率器件领域赢得了自己的领域。

更准确地说，这三者虽然在之前的基础上有所改进，但并没有完全被取代。这三个在电力设备市场中具有自己的优势，其应用程序领域并没有完全重叠。因此，就时间而言，它可以被视为祖父母与孙子之间的关系，但在技术和应用方面，它更像是平行的关系。

IGBT、MOSFET 和双极型之间的区别

IGBT VS MOSFET VS 双极型

IGBT属于晶体管领域的功率半导体元件。

功率半导体元件的特点

除IGBT外，功率半导体组件（晶体管场）的代表性产品是MOSFET，双极等，主要用作半导体开关。

根据各自支持的开关速度，BIPOLAR适合中速开关，MOSFET适合高频领域。

IGBT是输入部分中具有MOSFET结构的组件，输出部分中的双极结构。通过两者的组合，它是一种使用两个电子和孔的载体的双极元件，并且还考虑了低饱和电压（与功率MOSFET相当）和具有低抗性的晶体管和更快的切换特性。

尽管具有更快的开关特性，但它仍然不如功率MOSFET，这是IGBT的弱点。

【功率元件的基本结构及特点】

MOSFET是指具有半导体元件的金属氧化物半导体结构的三层结构的场效应晶体管。BIPOLAR是使用双极元件的电流工作型晶体管，将p型和n型两种半导体形成npn和pnp结构。

IGBT特性

由于 IGBT 是电压控制器件，因此它只需要栅极上的小电压即可保持器件导通，这与 BJT 不同，BJT 需要连续提供基极电流和足够的功率来维持饱和。

此外，IGBT 是单向器件，这意味着它只能沿“正向”方向（即从集电极到发射极）开关电流，这与具有双向电流开关（正向受控、反向不受控）的 MOSFET 不同。

IGBT 的工作原理和栅极驱动电路与 N 沟道功率 MOSFET 非常相似。基本区别在于，当电流流过处于“ON”状态的器件时，IGBT 中主导电沟道提供的电阻非常小。因此，与等效功率 MOSFET 相比，额定电流要高得多。

与其他类型的晶体管器件相比，使用绝缘栅双极晶体管的主要优点是它们具有高电压能力、低导通电阻、易于驱动、相对较快的开关速度和零栅极驱动电流，这使得它们非常适合中等速度的选择电压应用，例如脉宽调制 (PWM)、变速控制、开关模式电源或太阳能 DC-AC 逆变器以及在数百千赫兹范围内运行的变频器应用。

IGBT模块的常规检查

下面道合顺将讨论如何用万用表检查IGBT。

在购买IGBT模块之前，我们首先应该对其进行例行检查。那么我们应该如何检测呢？我们可以将其分为以下几个方面：

1、确定极性

首先，将万用表置于R×1KΩ档。用万用表测量时，若一极与另两极电阻值为无穷大，且更换表笔后该极与另两极电阻值仍为无穷大，则判断该极为栅极（g），然后用万用表测量其余两个极点。如果测得的电阻值是无限的，则在替换测试引线后测得的电阻值较小。在电阻值较小的测量中，判断红表笔连接到集电极（C）；黑色测试引线基于发射极（E）。

2.判断好坏

将万用表置于R×10KΩ挡，将黑表笔连接至IGBT的集电极（C），红表笔连接至IGBT的发射极（E）。此时万用表的指针位于零位。用手指同时触摸栅极（G）和集电极（C），此时IGBT被触发并导通，万用表指针向阻值较小的方向摆动，并能站立指示一定的值。位置。然后用手指同时触摸栅极（G）和发射极（E），此时IGBT被阻断，万用表指针归零。此时可以判断IGBT是好的。

3、检测注意事项

任何模拟万用表都可以用于检测IGBT。请注意，在判断IGBT的质量时，请确保将万用表设置为R×10KΩ块，因为R×1KΩ块下方的万用表的内部电池电压太低，因此在测试时无法打开IGBT很好，不能判断IGBT。该方法还可以用于检测功率场效应晶体管（P-MOSFET）的质量。