什么是IGBT

只看该作者 · 2024-12-25 10:28

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即绝缘栅双极型晶体管，是一种由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

结构特点
- IGBT结合了MOSFET的高输入阻抗、快速的开关速度和BJT的低导通压降、高电流密度等优点。它的结构类似于MOSFET，具有一个绝缘栅极，但在导通时又表现出类似BJT的特性。
- 从物理结构上看，IGBT是在功率MOSFET的漏极上附加了一个P + 层，从而形成了一个PN结。这个结构使得IGBT在正向导通时，有类似BJT的载流子注入效应，降低了导通电阻。
工作原理
- 导通：当在IGBT的栅极 - 发射极之间施加正向电压时，栅极下的P型半导体层形成反型层（电子积累层），这就像MOSFET一样形成了一个导电沟道。然后，电子从发射极注入到N - 层，同时，由于PN结的正向偏置，P + 层向N - 层注入空穴。这些载流子的注入使得IGBT的导通电阻很低，从而实现大电流的导通。
- 关断：当栅极 - 发射极之间的电压为零或负向时，导电沟道消失，电子和空穴的注入停止，IGBT开始关断。由于IGBT内部存在少数载流子的存储效应，关断过程相对复杂，需要一定的时间来清除存储的载流子。
性能特点
- 低导通损耗：由于其特殊的结构和工作原理，IGBT在导通状态下具有较低的电压降，这使得在大电流应用场景下，其导通损耗较小。
- 高输入阻抗：像MOSFET一样，IGBT的栅极是绝缘的，所以它具有高输入阻抗，只需要较小的栅极驱动电流就能控制其导通和关断。
- 快速开关速度：虽然不如MOSFET那么快，但相对于传统的BJT，IGBT具有较快的开关速度，这有助于提高电路的工作频率和效率。
应用领域
- 电力电子变换：在各种电力电子变换器中广泛应用，如变频器、逆变器等。在交流电机调速系统中，IGBT变频器可以将固定频率、固定电压的交流电转换为可变频率、可变电压的交流电，从而实现电机的调速。
- 不间断电源（UPS）：用于将电池的直流电转换为交流电，为负载提供不间断的电力供应。
- 新能源领域：在太阳能光伏发电系统和风力发电系统中，IGBT用于将直流电转换为交流电，实现并网发电。同时，在电动汽车的电机驱动系统和电池管理系统中也有广泛应用。
- 工业加热与焊接：例如在感应加热设备、电焊机等工业设备中，IGBT能够有效地控制电流和功率，实现高效的加热和焊接操作。