绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是双极型电力晶体管和MOSFET的复合器件。IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写。IGBT是一种新型电力电子器件，具有输入阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、安全工作区宽、电流处理能力强等优点，成为电力电子器件中很有前途的竞争者。它在电动机控制、中频开关电源和逆变器、机器人及要求快速低损耗的许多领域有着广泛的应用。

1.IGBT的结构及工作原理

IGBT的结构如图2-7所示。它在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道电力MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），形成PN结J₁，并由此引出集电极、栅极和发射极。

由图2-7可以看出，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，R_N为晶体管基区内的调制电阻，其简化等效电路如图2-7b所示。IGBT是以GTR作主导、MOSFET作驱动的复合结构。

IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时从P+区注到N-区进行电导调制，减小N-区的电阻R_dr值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。

图2-7 IGBT的结构及电气图形符号

a）内部结构断面示意图 b）简化等效电路 c）电气图形符号

2.IGBT的基本特性

IGBT的工作特性包括静态和动态特性两类。

（1）静态特性

IGBT的静态特性主要有静态特性和动态特性。

IGBT的转移特性是指输出集电极电流I_C与栅射电压U_GE之间的关系曲线，如图2-8a所示。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压U_GE（th）时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，I_D与U_GE呈线性关系。最高栅射电压受最大集电极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

图2-8 IGBT的转移特性和输出特性

a）转移特性 b）输出特性

IGBT的开关特性是指集电极电流与集射电压之间的关系，如图3-8b所示。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其β值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压U_CE（on）可用下式表示

U_CE（on）=U_J1+U_dr+I_CR_ch

式中 U_J1——J₁结的正向电压，其值为0.7～1V；

U_dr——扩展电阻R_dr上的压降；

R_ch——沟道电阻。

通态电流I_CE可用下式表示：

I_CE=（1+β_pnp）I_MOS

式中 I_MOS——流过MOSFET的电流。

由于N-区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

（2）动态特性

如图2-9所示，它给出了IGBT开关过程的波形。IGBT的开通过程与电力MOSFET的开通过程很相似，这是因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET来运行的。如图3-9所示，从驱动电压u_CE上升至其幅值10%的时刻，到集电极电流i_C上升至10%I_CM的时刻止，这段时间为开通延时时间t_d（on）。而i_C从10%I_CM上升至90%I_CM所需时间为电流上升时间t_r。同样，开通时间t_on为开通延迟时间与电流上升时间之和。开通时，集射电压u_CE的下降过程分为t_fv1和t_fv2两段。t_fv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；t_fv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。

图2-9 IGBT的开关过程

IGBT关断时，从驱动电压u_GE的脉冲后沿下降到其幅值90%的时刻起，到集电极电流i_C下降至90%I_CM止，这段时间为关断延迟时间t_d（off）；集电极电流从90%I_CM下降至10%I_CM的这段时间为电流下降时间。这两者之和为关断时间t_off。

电流下降时间又可分为t_fi1和t_fi2两段。t_fi1为IGBT内部的MOSFET的关断过程，i_C下降较快；t_fi2为IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少子复合缓慢，造成i_C下降较慢。

可以看出，IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存的现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。

此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折中的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。

3.IGBT的主要参数

除了前面提到的各参数之外，IGBT的主要参数还包括：

（1）最大集射极间电压U_CES

这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。

（2）最大集电极电流

包括额定直流电流I_D和1ms脉宽最大电流I_CP。(www.daowen.com)

（3）最大集电极功耗P_CM

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：

1）IGBT开关速度高，开关损耗小。有关资料表明，在电压1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。

2）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。

3）IGBT的通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。

4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。

5）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，同时可保持开关频率高的特点。

4.IGBT的应用

（1）IGBT适用工作环境

1）低占空比；

2）低频率（＜20kHz）；

3）窄的或小的线性或负载范围；

4）适用于高压（＞1000V）；

5）可以在高节温下运行（＞100℃）；

6）大于5kW的输出功率。

（2）IGBT的典型应用

1）电动机控制：频率＜20kHz，具有短路和瞬时限流保护；

2）不间断电源（UPS）：恒负载，典型的低频应用；

3）焊接：大平均电流，低频（<50kHz），ZVS电路；

4）低功率灯光控制：低频（100kHz）。

（3）IGBT在汽车上的应用

如前所述，IGBT是由一个MOSFET和一个晶体管构成，因此它具有以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。另外，由于IGBT的耐压性能好，目前在汽车领域的点火系统中得到很好的应用。

IGBT非常适用于点火开关，并需要低开关速度的大量脉冲正向电流和雪崩能量能力。表2-2是在汽车电子点火系统中IGBT的使用情况。

表2-2 IGBT在汽车电子点火系统中的应用

对于四缸发动机，早期的基于晶体管的点火系统采用有两个功率输出级的双点火线圈（这种情况在目前的低档产品中仍有应用）。在某些情况下这种系统是不能满足要求的。现代的带有气缸交叠和多值控制的内燃机不允许在排气冲程中进行点火。这种发动机每个气缸都需要单独的线圈（插头线圈）或笔状线圈来点火。

进一步把功率开关合并到这个笔状线圈或者插头线圈上，这样就产生了一种性能显著提高的机械电子系统。把点火开关放到笔状线圈上有下列的优点：

1）去除了大电流控制线和高压点火电缆，可以降低点火过程中的电磁干扰；

2）去除高电压点火电缆，可以降低成本，提高可靠性；

3）去掉点火开关，可以降低中央ECU的能量消耗。

由于ECU和点火模块的距离可能有几米远，所以半导体和点火线圈的保护及诊断就必须由点火模块来提供。这就意味着在点火模块中又增加了电路的复杂度性。为了简化电缆及减少点火模块接口的数量，器件上采用多路复用引脚就成了首选。但是，多路复用引脚又需要将更多的电子器件集成到点火开关中。所有的这些特点都需要更多的空间来实现，于是有限的安放空间就成为分散式点火输出级的主要设计因素之一。用片上芯片技术生产的灵巧型IGBT就可能满足对空间的严格要求。

智能型IGBT可以实现单片集成，将功率和控制电路制作在同一个硅片上。功率芯片和控制芯片也可以分别制作，然后再装进同一个封装中。目前将附加功能的电路元件集成到IGBT功率开关电路中的尝试还很有限，因为这种做法并不是行业的发展趋势。因为电力电子器件技术（IGBT）和逻辑电路技术（LCT）是很不相容的，这两种技术的集成将导致半导体制作工艺变得复杂而且往往更加昂贵。

在现代点火系统中，功率输出级在实现开关功能的同时，还实现一些保护和诊断功能，以满足用户和政府的要求。这些功能使得系统能符合排放标准，实现燃料的节约，达到更高的舒适度和可靠性。保护和诊断的内容包括以下一些方面：限流、关断定时器、电流反馈、电压反馈、无火花关断、过热保护、双向电流接口、离子流信号调节。

这些功能可以部分或全部实现，以满足最终端用户的需要和政府的要求。在上述智能型IGBT中，有源齐纳击穿钳位、静电保护和功率开关等基本功能都在底层标准点火IGBT芯片上实现。更为复杂的功能电路则集成在顶层芯片（用BCD工艺制作）中。作为例子，图2-10表示了部分可用到的功能。

图2-10 智能型IGBT模块原理示意图