什么是IGBT?
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘三双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。绝缘栅双极晶体管（ IGBT ）将MOS栅极易驱动性和低传导损耗结合在一起，并正在迅速取代功率双极晶体管作为高电流和高电压应用设备的选择。艰难的在开关速度和导通损耗之间权衡，这种境况现在正被很好的转变，IGBT正在蚕食高频率，高效率的功率MOSFET领地。事实上，行业的趋势是在除了非常低电流的应用以外，用IGBT取代功率MOSFET。

 如何选择IGBT

 本节是有意摆在技术讲解之前的。回答下列的重要问题，将有助于为特定的应用选择适当的IGBT。 非穿通（NPT）和穿通(PT)器件之间的差异，以及术语和图表将稍后解释。

 1. 什么是工作电压？ IGBT的关断电压最高应不超过VCES的80%。

 2. 这是硬或软开关？PT器件更适合于软开关，因其可以减少尾电流，但是，NPT器件将一直工作。

 3.流过IGBT的电流都有什么？首先用简短的语言对用到的电流做一个大致的介绍。对于硬开关应用，频率—电流图很有用，可帮助确定器件是否适合应用。在应用时需要考虑到数据表由于测试条件不同而存在的差异，如何做到这一点稍后将有一个例子。对于软开关应用，可从IC2开始着手。

 4.什么是理想的开关速度？如果答案是“更高，更好”，那么PT器件是最好的选择。同样，使用频率—电流图可以帮助选择硬开关应用的器件。

 5.短路承受能力必要吗？对于应用如马达驱动器，答案是肯定的，而且开关频率也往往是相对较低。这时将需要NPT器件。开关电源往往不需要短路耐受力。

 IGBT概述

 一个N沟道IGBT基本上是一个N沟道功率MOSFET构建在p型衬底上，图1为通常的IGBT横截面。（PT IGBT有一个额外的N+层，并将加以解释。）因此，使用IGBT和使用功率MOSFET非常相似。从发射极到栅极之间加一个正的电压，使得电子从Body流向栅极。 如果门-发射极电压达到或超过所谓的阈值电压，足够多的电子流向栅极跨过Body形成一个导电通道，允许电流从集电极流向发射极。（准确地说，它使得电子从发射极流向集电极。）这种电子流吸引阳离子或空穴从p型衬底经漂移区到达集电极。如图2所示，为IGBT的简化等效电路图。

图1：N沟道IGBT的横截面。

图2：IGBT的简化等效电路图。

图2的左边电路图为一个N沟道功率MOSFET驱动一个大衬底PNP双极晶体管，为达林顿连接。右边电路图简单地显示了一个N沟道功率MOSFET在漏极串联二极管的情形。乍看之下，似乎IGBT两端的开态电压比一个N沟道功率MOSFET本身两端的开态电压高一个二极管的压降。这是真正的事实，即IGBT两端的开态电压始终是至少有一个二极管压降。 然而，相比功率MOSFET，在相同的裸片尺寸下，工作在相同的温度和电流的情况下，IGBT可以明显降低开态电压。原因是，MOSFET仅仅是多子（多数载流子）器件。 换言之，在N沟道 MOSFET中，只有电子在流动。 如前所述，N沟道IGBT的p型衬底会将空穴注入到漂移区。因此，IGBT的电流里既有电子又有空穴。这种空穴（少子）的注入大大减少了漂移区的等效电阻。另有说明，空穴注入大大增加了电导率，或导电性被调制。由此减少了开态电压是IGBT相比功率MOSFET的主要优势。

当然，世界上没有免费的午餐，较低的开态电压的代价是开关速度变慢，特别是在关闭时。 原因是，在关断时，电子流可以突然停止，就跟在功率MOSFET中一样，通过降低栅极和发射极之间的电压使其低于阈值电压。然而，空穴仍然留在漂移区，除了电压梯度和中和没有办法移除它们。IGBT在关闭期间的尾电流一直要持续到所有的空穴被中和或被调制。调制率是可以控制的，这是图1中N +缓冲层的作用。 这种缓冲层在关闭期间迅速吸收捕获的空穴。 并非所有的IGBT纳入一个n+缓冲层; 那些被称为穿通型(PT)的有，那些被称为非穿通型（NPT）的没有。 PT IGBTs 有时被称为不对称的，NPT是对称的。

其他的较低的开态电压的代价是，如果IGBT的运作超出规格的范围，那么会存在闩锁的可能。闭锁是IGBT的一种失效模式既IGBT再也不能被栅极关闭。任何对IGBT的误用都将诱发闭锁。 因此，IGBT的闭锁失效机理需要一些解释。

 基本结构

 IGBT的基本结构和晶闸管类似，即一系列PNPN结。 这可以通过分析更详细的IGBT等效电路模型来解释，如图3所示。

图3：IGBT的寄生晶闸管模型。

所有的N通道功率MOSFET都存在寄生NPN双极型晶体管，因此所有N3channel的IGBT也都存在。寄生NPN晶体管的基极是体区域，基极和发射极短接以防止晶体管开启。 但是请注意，体区域存在电阻，既体扩散电阻（body region spreading resistance），如图3所示。 P型衬底，漂移区和体区域组成了IGBT的PNP部分。该PNPN结构形成了寄生晶闸管。 如果寄生NPN晶体管开启并且NPN和PNP晶体管的增益和大于1，闭锁就发生了。 闭锁是通过优化IGBT的掺杂水平和设计不同区域的尺寸来避免的，如图1所示。

 可以设定NPN和PNP晶体管的增益，使他们的总和不到1。 随着温度的升高，NPN和PNP晶体管的增益增大，体扩散电阻也增大。非常高的集电极电流可在体区域引起足够的电压降使得寄生NPN晶体管开启，芯片的局部过热使寄生晶体管的增益升高，这样他们的收益总和就超过1。如果发生这种情况，寄生晶闸管就开始进入闩锁状态，而且IGBT无法被栅极关闭，且可能由于电流过大被烧毁。这是静态闭锁。高dv/dt关闭过程加上过度的集电极电流也可以显著地提高增益和开启寄生NPN晶体管。这是动态闭锁，这实际上限制了安全工作区，因为它可能会在比静态闭锁低得多的集电极电流下发生闭锁，这取决于关断时的dv / dt。通过在允许的最大电流和安全工作区内工作，可以避免静态和动态闭锁，且不用考虑dv / dt的问题。请注意，开启和关闭情况下的dv / dt，过冲（overshoot）和震荡（ringing）可由外部闸电阻设定（以及在电路布局上的杂散电感）。