IGBT等效電路及符號(hào)解析

絕緣柵雙極晶體管，簡(jiǎn)稱IGBT，是雙極結(jié)型晶體管(BJT)和金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的組合，一種用于開(kāi)關(guān)相關(guān)應(yīng)用的半導(dǎo)體器件。

由于IGBT是MOSFET和BJT晶體管的組合，它具有BJT晶體管和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)。MOSFET具有高開(kāi)關(guān)速度和高阻抗的優(yōu)點(diǎn)，另一方面BJT具有高增益和低飽和電壓的優(yōu)點(diǎn)，兩者都存在于IGBT晶體管中。由于IGBT是一種壓控半導(dǎo)體元件，因此可實(shí)現(xiàn)大集電極發(fā)射極電流，柵極電流驅(qū)動(dòng)幾乎為零。

如前所述，IGBT具有MOSFET和BJT的雙重優(yōu)點(diǎn)，所以IGBT具有與典型MOSFET相同的絕緣柵極和相同的輸出傳輸特性。雖然BJT是電流控制器件，但對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)，控制依賴于MOSFET，因此它是電壓控制器件，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET。

IGBT等效電路及符號(hào)

IGBT終端被標(biāo)記為Collector，Emitter和Gate，它的兩個(gè)端子 ( CE ) 與通過(guò)電流的電導(dǎo)路徑相關(guān)聯(lián)，而它的第三個(gè)端子 ( G ) 控制設(shè)備。

上圖顯示了IGBT的等效電路，它與達(dá)林頓晶體管中使用的電路結(jié)構(gòu)相同，其中兩個(gè)晶體管的連接方式完全相同。如上圖所示，IGBT結(jié)合了兩個(gè)器件，N溝道MOSFET和PNP晶體管。N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)PNP晶體管。標(biāo)準(zhǔn)BJT的引腳輸出包括集電極、發(fā)射極、基極，標(biāo)準(zhǔn)MOSFET引腳輸出包括柵極、漏極和源極。但在IGBT晶體管引腳的情況下是柵極，它來(lái)自N溝道MOSFET，而集電極和發(fā)射極來(lái)自PNP晶體管。

在PNP晶體管中，集電極和發(fā)射極是傳導(dǎo)路徑，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，它會(huì)導(dǎo)通并承載電流，該路徑由N溝道MOSFET控制。

在BJT的情況下，可以通過(guò)將輸出電流除以輸入電流來(lái)計(jì)算增益，表示為Beta ( ) 。

β = 輸出電流 / 輸入電流

但是，MOSFET不是電流控制器件，它是一個(gè)電壓控制器件，MOSFET的柵極沒(méi)有輸入電流。因此，用于計(jì)算BJT增益的相同公式不適用于MOSFET。MOSFET的柵極與電流傳導(dǎo)路徑隔離。MOSFET的柵極電壓改變了輸出電流的導(dǎo)通，因此增益是輸出電壓變化與輸入電壓變化的比值，這對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)也是適用的。所以，IGBT的增益是輸出電流變化與輸入柵極電壓變化的比率。

在上圖中，顯示了IGBT的符號(hào)。可以看到，該符號(hào)包括晶體管的集電極發(fā)射極部分和MOSFET的柵極部分。

當(dāng)處于導(dǎo)通或“開(kāi)”模式時(shí)，電流從集電極流向發(fā)射極。BJT晶體管也會(huì)發(fā)生同樣的事情。但是在IGBT的情況下，有柵極而不是基極。柵極與發(fā)射極之間的電壓差稱為Vge，集電極與發(fā)射極之間的電壓差稱為Vce。

發(fā)射極電流 (Ie)與集電極電流 (Ic)幾乎相同，即Ie = Ic。由于集電極和發(fā)射極的電流相對(duì)相同，因此Vce非常低。

IGBT主要應(yīng)用

IGBT主要用于與電源相關(guān)的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)功率BJT具有非常慢的響應(yīng)特性，而MOSFET適用于快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用，但在需要更高額定電流的情況下，MOSFET是一種昂貴的選擇。IGBT適用于替代功率BJT和功率 MOSFET。

此外，與BJT相比， IGBT提供更低的“導(dǎo)通”電阻，并且由于這一特性，IGBT在高功率相關(guān)應(yīng)用中具有熱效率。

IGBT在電子領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，由于低導(dǎo)通電阻、非常高的額定電流、高開(kāi)關(guān)速度、零柵極驅(qū)動(dòng)， IGBT用于大功率電機(jī)控制、逆變器、具有高頻轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的開(kāi)關(guān)模式電源。

在上圖中，顯示了使用IGBT的基本開(kāi)關(guān)應(yīng)用。RL是通過(guò)IGBT的發(fā)射極連接到地的電阻負(fù)載。負(fù)載兩端的電壓差表示為VRL。負(fù)載也可以是感性的。右側(cè)顯示了不同的電路。負(fù)載連接在集電極上，而電流保護(hù)電阻則連接在發(fā)射極上。在這兩種情況下，電流都會(huì)從集電極流向發(fā)射極。

在BJT的情況下，需要在BJT的基極上提供恒定電流。但是在IGBT的情況下，與MOSFET一樣，需要在柵極上提供恒定電壓，并將飽和度保持在恒定狀態(tài)。

在左側(cè)情況下，電壓差VIN是輸入(柵極)與接地 / VSS的電位差，控制從集電極流向發(fā)射極的輸出電流。負(fù)載上的VCC和GND之間的電壓差幾乎相同。

在右側(cè)電路中，流過(guò)負(fù)載的電流取決于電壓除以RS值，即：

I RL2 = V IN / R S

IGBT可以通過(guò)激活柵極來(lái)切換“開(kāi)”和“關(guān)”。如果我們通過(guò)在柵極上施加電壓使柵極更正，則IGBT的發(fā)射極將IGBT保持在“導(dǎo)通”狀態(tài)，如果使柵極為負(fù)或零推動(dòng)，則IGBT將保持在“關(guān)”狀態(tài)，它與BJT和 MOSFET開(kāi)關(guān)相同。

IGBT IV曲線和傳輸特性

在上圖中，根據(jù)不同的柵極電壓或Vge顯示了IV特性。X軸表示集電極發(fā)射極電壓或Vce，Y軸表示集電極電流。在關(guān)斷狀態(tài)下，流過(guò)集電極和柵極電壓的電流為零。當(dāng)我們改變Vge或柵極電壓時(shí)，器件進(jìn)入有源區(qū)。柵極上的穩(wěn)定和連續(xù)電壓提供通過(guò)集電極的連續(xù)和穩(wěn)定的電流。Vge的增加按比例增加集電極電流，Vge3 > Vge2 > Vge3。BV是IGBT的擊穿電壓。

另外，該曲線與BJT的IV傳輸曲線幾乎相同，但此處顯示Vge是因?yàn)镮GBT是電壓控制器件。

在上圖中，顯示了IGBT傳輸特性，它與PMOSFET幾乎相同。在Vge大于取決于IGBT規(guī)格的閾值后，IGBT將進(jìn)入“ ON ”狀態(tài)。

以下是一個(gè)比較表，可以清楚地了解IGBT與功率BJT和功率MOSFET之間的區(qū)別。

總結(jié)

IGBT絕緣柵雙極晶體管是一種半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，具有雙極結(jié)型晶體管BJT的輸出特性，但像金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET一樣被控制。

IGBT的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其簡(jiǎn)單性，可以通過(guò)施加正柵極電壓將其驅(qū)動(dòng)為“ON”，或通過(guò)使柵極信號(hào)為零或略微為負(fù)而將其切換為“OFF”，從而使其可用于各種的切換應(yīng)用程序。

此外，IGBT還具有較低的通態(tài)電阻和傳導(dǎo)損耗，以及在高頻下切換高壓而不損壞的能力，因此非常適合驅(qū)動(dòng)線圈繞組、電磁體和直流電機(jī)等電感負(fù)載，應(yīng)用非常的廣泛。