绝缘栅双极晶体管（IGBT）又被称为Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种结合了传统双极结型晶体管（BJT）和场效应晶体管（MOSFET）优点的半导体开关器件。IGBT晶体管融合了MOSFET的高输入阻抗和快速开关速度，以及双极晶体管的低饱和电压，从而创造出一种新型的开关器件。这种器件能够处理大电流，并且栅极电流几乎为零，使其成为半导体开关器件的理想选择。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）将 MOSFET 的绝缘栅极技术与传统双极晶体管的输出性能特征相结合这种混合组合使得“IGBT晶体管”具有双极晶体管的输出开关和导通特性，同时像MOSFET一样进行电压控制。
IGBT主要用于电力电子应用，如逆变器、转换器和电源，这些应用对固态开关器件的需求不能完全由功率双极晶体管和功率MOSFET满足。虽然大电流和高压的双极晶体管可以处理高功率，但其开关速度较慢；功率MOSFET虽然开关速度较高，但高电压和大电流的MOSFET价格昂贵且实现难度大。
与BJT或MOSFET相比，IGBT的优势在于提供了比标准双极晶体管更大的功率增益，同时具备MOSFET的高工作电压和低输入损耗。实际上，IGBT可以视为集成了双极晶体管的场效应晶体管（FET），其结构类似于达林顿型配置。
绝缘栅双极晶体管
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种三端子跨导器件，它将绝缘栅极N沟道MOSFET的输入与达林顿配置的PNP双极晶体管的输出相结合。
因此，IGBT的端子标记为：集电极（C）、发射极（E）和栅极（G）。其中，集电极和发射极端子（CE）与电流传输的电导路径相关联，而栅极端子（G）用于控制器件的开关状态。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）的增益是其输出信号与输入信号之间的比率。对于传统的双极结型晶体管（BJT），增益通常表示为输出电流与输入电流的比率，称为Beta。而对于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），由于栅极与主载流通道隔离，不存在输入电流。因此，MOSFET的增益定义为输出电流的变化与输入电压的变化之比，这使其成为跨导器件。IGBT的工作原理类似于MOSFET，因此也可以视为一种跨导器件。在IGBT中，功率BJT的基极电流是由MOSFET提供的。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）可以用于小信号放大器电路，其使用方式与BJT或MOSFET类似。然而，由于IGBT结合了BJT的低导通损耗和功率MOSFET的高开关速度，它在电力电子应用中表现为一种理想的固态开关。此外，IGBT的“导通态”电阻要低得多，R上相较于等效的MOSFET更具优势。这意味着在给定的开关电流下，双极性输出结构上的压降要显著降低。IGBT晶体管的正向阻断特性与功率MOSFET相似。
作为静态控制开关时，IGBT的电压和电流额定值与双极晶体管相似。然而，由于IGBT具有隔离栅极，使其比BJT更易于驱动，因为所需的驱动功率要少得多。绝缘栅双极晶体管（IGBT）可以通过激活或停用其栅极端子来“打开”或“关闭”器件。当在栅极和发射极上施加正电压信号时，IGBT保持在“ON”状态；而当栅极信号为零或略微为负时，器件将转为“OFF”，类似于双极晶体管或MOSFET的操作方式。另一个显著的优点是，IGBT的导通态沟道电阻比标准MOSFET低得多。
IGBT特性
由于IGBT是电压控制器件，它只需在栅极上施加小电压即可维持导通状态，这与BJT不同，BJT需要持续提供足够的基极电流以保持饱和状态。此外，IGBT是一种单向器件，意味着它只能在“正向”方向切换电流，即从集电极到发射极。这与MOSFET不同，MOSFET能够双向切换电流（在正向受控，而在反向不受控制）。
IGBT的工作原理和栅极驱动电路与N沟道功率MOSFET非常相似。主要区别在于，当电流以“ON”状态流过器件时，IGBT的主导电通道提供的电阻要远低于MOSFET。因此，IGBT在额定电流方面远高于等效的功率MOSFET。与其他类型的晶体管器件相比，IGBT的主要优点包括其高电压能力、低导通电阻、易于驱动、较快的开关速度，以及零栅极驱动电流。这使得IGBT成为中等速度、高电压应用的理想选择，例如脉宽调制（PWM）、变速控制、开关模式电源、太阳能供电的DC-AC逆变器和变频器，适用于数百千赫兹的工作频率范围。
下面列出了一些IGBT的数学公式，这些公式和参数对于分析和设计使用IGBT的电路至关重要：
集电极电流（Ic ）：集电极电流是从集电极流向IGBT发射极的电流。可以使用欧姆定律来计算它，其中Vce表示集电极-发射极电压，RL是负载电阻。因此，集电极电流的计算公式为：
Ic = Vce / Rl
栅极电流（Ig）：栅极电流是激活或停用IGBT所需的电流。它可以通过栅极电压和栅源电容（Cgs）来计算。具体公式为：
Ig = Cgs * dVgs/dt
开关损耗（Ps）：IGBT的开关损耗是由导通和关断过渡期间的能量耗散引起的。这些损失可以通过以下公式计算：
Ps = 0.5 * Vce * Ic * fsw * （Eon + Eoff）
其中，Vce是集电极-发射极电压，Ic是集电极电流，fsw是开关频率，Eon和Eoff是导通和关断能量。
正向压降（Vf）：正向压降是IGBT处于导通状态时两端的电压，Vce（sat）代表饱和电压。
Vf = Vce + Vce(sat)
功耗 （Pd）：它是用提到的公式计算的，这里 Vce 是集电极-发射极电压，Ic 是集电极电流。
Pd = Vce * Ic
栅极电荷 （Qg）：栅极电荷是将 IGBT 从关断转换为导通所需的总电荷。它与栅极电流和栅源电压有关：
Qg = ∫（Ig dt）
结温 （Tj）：可以考虑功率耗散和热阻来估计 IGBT 的结温。其中Ta是环境温度，Pd是功率耗散，Rth是热阻。
Tj = Ta + （Pd * Rth）
应用：
1.交流和直流电机驱动器
2.非稳压电源 （UPS）
3.开关模式电源 （SMPS）
4.牵引电机控制
5.感应加热
6.逆 变 器
它们旨在将用于控制输入的隔离栅极 FET 和双极性功率晶体管组合到单个器件中，从而增强了多功能性。
FAQ：
IGBT的作用是什么？
IGBT的主要目的是实现电流的快速切换，以最大限度地降低开关损耗
IGBT的三个端子是什么？
IGBT将PNP晶体管的输出与绝缘栅极N沟道MOSFET的输出集成在一起，形成一个具有三个基本端子的跨导模块：发射极、集电极和栅极。栅极用于控制器件的开关状态，而发射极和集电极分别连接到电流和电导路径。
IGBT是双极的还是单极的？
IGBT是一种双极性器件，它利用电子和空穴作为载体。这种设计的复杂性体现在其输入级采用了MOSFET结构，而输出级则是双极性的。这种结构使IGBT能够实现低饱和电压，同时保持相对较快的性能。
IGBT的效率是多少？
混合型IGBT是这些任务的理想选择，因为它们满足了最低开关损耗、低 VCE、高功率转换效率和经济性等关键标准。这些器件的效率超过97%，在用于汽车充电器时，能够保证广泛的工作频率范围。
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