电驱动系列：四十 IGBT--即绝缘栅双极性晶体管

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40.1 IGBT

IGBT：为Insulated GateBipolar Transistor的缩写，即绝缘栅双极性晶体管。

栅：指的是栅极，意味着IGBT也为电压控制型元件；

双极性是相对于单极性而言的，单极性指空穴或电子中的一种参与导电，而双极性指二者都参与导电。前面讲的Mosfet即为单极性的。

40.2 IGBT的结构及导通

IGBT的结构：IGBT的结构与普通的MOSFET相比，在漏极处增加了N+和P+层，与VDMOSFET相比，在漏极处增加了P+层（这里的＋号表示掺杂浓度相对较高），另外，由于与MOSFET工作原理的差异，一般称其“栅极”为门极G，“漏极”为集电极C，“源极”为发射极E，其结构如下图：



图40.1 IGBT结构及其表示符号

        IGBT的导通：与MOSFET类似，当门极加足够的正电压时，会将上面P极的一部分转化为反型层（如图40.2所示），N+/反型层/N/N+这四部分与P+组成PN结，当加以足够的正偏电压时，即可正常将发射极C与集电极E正常导通。



图40.2 IGBT导通状态图

40.3 IGBT的优缺点

同等材质下与MOSFET相比，IGBT的优缺点如下：

优点：可承载更高的电压与电流，电阻小

由于硅基MOSFET在通电状态下会成为单一的N型半导体，因此源极S与漏极D之间的电阻与N基极的厚度强相关，若要承受更高的电压，相应的N基极厚度也要增加，导通电阻也同时增大，饱和状态下的电压降也随之升高，因此硅基MOSFET难以大容量化。

而IGBT在增加N+和P+层的同时，N基极厚度也会减小，IGBT导通时相当于PN结，而PN结在导通状态电阻极小，因此减小了导通状态的电阻，可承受更高的电压，有更强的载流能力。

与SiC-MOSFET类似，也有SiC-IGBT，其承压载流能力更强，但加工难度更高。

缺点：关断速度慢

  由于IGBT中P+层的空穴也参与了导电，空穴将通过与剩余电子复合消失，这个复合消失的过程就会造成IGBT的拖尾电流。而单极性元器件如MOSFET只是一种载流子导电，不存在拖尾电流，因此关断速度会更快。

关于绝缘栅双极性晶体管（IGBT）的结构与特性分析如下：

在电驱动系统中，IGBT扮演核心角色。作为一种电压控制型元件，其通过电压的变化来控制晶体管的开关状态。与传统的MOSFET相比，IGBT的结构有所改进，体现在增加了N+和P+层以增强导电能力。工作时，它实现了空穴和电子的双重导电模式，从而提高电流处理能力并优化开关速度。该元件结构复杂精细，为提高功率器件效率和可靠性奠定了重要基础。其在新能源及汽车工业中具有广泛的应用前景。对于专业设计和制造，更要保证其对多种环境因素的良好适应性和长时间的高性能表现。

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