全控型器件——绝缘栅双极晶体管
前言：GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolar Transistor——IGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。1、结构和工作原理
IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其外部有三个电极，分别为G-栅极，C-集电极，E-发射极。由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT，比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
IGBT结构
简化等效电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
IGBT的工作原理：驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通；当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时， MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
电导调制效应使得电阻Rg减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
2、基本特性
静态特性
转移特性：描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。
转移特性曲线
开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。
输出特性(伏安特性)：描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电 流IC与集射极间电压UCE之间的关系。
输出特性曲线
分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。当UCE <0时，IGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中， IGBT工作在开关状态， 因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。
动态特性
开通过程
开通延迟时间td(on)
电流上升时间tr
电压下降时间tfv
开通时间ton = td(on) +tr+tfv （tfv 分为tfv1 和tfv2 两段）
关断过程
关断延迟时间td(off)
电压上升时间trv
电流下降时间tfi
关断时间toff = td(off) +trv +tfi （tfi 分为tfi1 和tfi2 两段）
引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。
3、主要参数
- 前面提到的各参数。
- 最大集射极间电压UCES：由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。
- 最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。
- 最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
IGBT的特性和参数特点可以总结如下：
- 开关速度高，开关损耗小。
- 在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。
- 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。
- 输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。
- 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。
IGBT的擎住效应：
在IGBT内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为擎住效应或自锁效应。
引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），dUCE /dt过大（动态擎住效应），或温度升高。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。
IGBT的安全工作区：
正向偏置安全工作区（Forward Biased Safe Operating Area——FBSOA）：根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。
反向偏置安全工作区（Reverse Biased Safe Operating Area——RBSOA）：根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE /dt。
以上针对IGBT做了简单的介绍，关于IGBT，有很多地方值得去关注，同时针对IGBT的技术仍在研究，因为采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。后续我们会慢慢进行介绍。
本文已授作者前辈允许，来源于：https://mp.weixin.qq.com/s/l1iW6hErr4kn0xRpOrfX1g
/2 
