【導讀】絕緣柵雙極晶體管（IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種三端功率半導體器件，主要用作電子開關
，在較新的器件中以結合高效和快速開關而聞名。IGBT通過在單個器件中組合用於控製輸入的隔離柵極FET和作為開關的雙極功率晶體管，將MOSFET的簡單柵極驅動特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結合。IGBT用於中到大功率應用，如開關電源、牽引電機控製和感應加熱。

圖1. IGBT 電路圖符號

01 IGBT特點

IGBT具有柵極、集電極、發射極3個引腳。柵極與MOSFET相同，集電極和發射極與雙極晶體管相同。IGBT與MOSFET一樣通過電壓控製端口，在N溝道型的情況下，對於發射極而言
，在柵極施加正電壓時

，集電極-發射極導通，流過集電極電流。我們將另行介紹其工作和驅動方法。

IGBT是結合了MOSFET和雙極晶體管優點的晶體管。MOSFET由於柵極是隔離的，因此具有輸入阻抗高
、開(kai)關(guan)速(su)度(du)較(jiao)快(kuai)的(de)優(you)點(dian)
，但(dan)缺(que)點(dian)是(shi)在(zai)高(gao)電(dian)壓(ya)時(shi)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)較(jiao)高(gao)。雙(shuang)極(ji)晶(jing)體(ti)管(guan)即(ji)使(shi)在(zai)高(gao)電(dian)壓(ya)條(tiao)件(jian)下(xia)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)也(ye)很(hen)低(di)，但(dan)存(cun)在(zai)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)低(di)和(he)開(kai)關(guan)速(su)度(du)慢(man)的(de)缺(que)點(dian)。通(tong)過(guo)彌(mi)補(bu)這(zhe)兩(liang)種(zhong)器(qi)件(jian)各(ge)自(zi)的(de)缺(que)點(dian)
，IGBT成為一種具有高輸入阻抗、開關速度快 (IGBT開關速度比MOSFET慢，但仍比雙極晶體管快。) 

，即使在高電壓條件下也能實現低導通電阻的晶體管。　 

02 IGBT 的工作原理

當向發射極施加正的集電極電壓V_CE
，同時向發射極施加正的柵極電壓V_GE時，IGBT便能導通
，集電極和發射極導通，集電極電流I_C流過。

圖2.   IGBT近似的等效電路

IGBT的等效電路如上圖所示。當柵極-發射極（G-E）和集電極-發射極（C-E）通路均發生正偏置時
，N溝道MOSFET導通，導致漏極電流流動。該漏極電流也流向Q_PNP的基極並導致IGBT導通。由於Q_PNP的直流電流增益（α）非常小，因此幾乎整個發射極電流（IE(pnp)）都作為基極電流（IB(pnp)）流動。但部分I_E(pnp)會作為集電極電流（I_C(pnp)）流動。I_C(pnp)無法開啟Q_NPN，因為它繞過了Q_NPN基極和發射極之間插入的RBE。

因此，IGBT的幾乎所有集電極電流都通過Q_PNP的發射極-基極通路作為N溝道MOSFET的漏極電流流動。此時，空穴從Q_PNP的發射極注入到N通道MOSFET的高電阻漂移層。這導致漂移層的電阻率（R_d(MOS））大大降低，從而降低了導通期間的導通電阻。這種現象稱為電導率調製。

關閉柵極（G）信號會導致N溝道MOSFET關斷
，從而導致IGBT關斷。

03 安全工作區

在IGBT的規格書中，可能會看到安全工作區（SOA, Safe Operating Area），例如ROHM的 RGS30TSX2DHR 如下圖所示。這個安全工作區是指什麼
？

圖3. Rohm的RGS30TSX2DHR 安全工作區 （圖片來源ROHM）

IGBT 的安全工作區（SOA）是使IGBT在不發生自損壞或性能沒有下降的情況下的工作電流和電壓條件。實際上，不僅需要在安全工作區內使用IGBT，還需對其所在區域實施溫度降額。安全工作區分為正向偏置安全工作區（FBSOA, Forward Bias Safe Operating Area）和反向偏置安全工作區（RBSOA, Reverse Bias Safe Operating Area）。

3.1 正向偏置安全工作區

正向偏置安全工作區定義了IGBT導通期間的可用電流和電壓條件。

圖4.  RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區 （圖片來源ROHM）

上圖是RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區
，可以根據具體情況分為4個領域，如下所述:

1. 受集電極最大額定電流限製的區域

2. 受集電極耗散限製的區域

3. 受二次擊穿限製的區域 (該區域會因器件設計而有所不同)

4. 受集電極-發射極最大額定電壓限製的區域

3.2 反向偏置安全工作區

反向偏置安全工作區定義了IGBT關斷期間的可用電流和電壓條件。

圖5.   RGS30TSX2DHR 的反向偏置安全工作區 （圖片來源ROHM）

上圖是RGS30TSX2DHR 的反向偏置SOA可以簡單分為2個有限區域，如下所述:

1. 受集電極最大額定電流值限製的區域

2. 受集電極-發射極最大額定電壓限製的區域。

請注意，當設計的 V_CE－I_C工gong作zuo軌gui跡ji偏pian離li產chan品pin本ben身shen安an全quan工gong作zuo區qu時shi
，產chan品pin可ke能neng會hui發fa生sheng出chu現xian意yi外wai故gu障zhang。因yin此ci
，在zai設she計ji電dian路lu時shi
，在zai確que定ding與yu擊ji穿chuan容rong限xian相xiang關guan的de具ju體ti特te性xing和he電dian路lu常chang數shu時shi，必bi須xu密mi切qie注zhu意yi耗hao散san和he其qi他ta性xing能neng問wen題ti。例li如ru，反fan向xiang偏pian置zhi安an全quan工gong作zuo區qu具ju有you溫wen度du特te性xing（在高溫下劣化），V_CE－I_C的工作軌跡根據柵極電阻R_g和柵極電壓V_GE而變化。

因此
，有必要在了解工作環境和關斷時的最小柵極電阻值後
，才進行R_g和 V_GE設計。

04 不同類型IGBT 產品

市場上有不同類型的 IGBT 產品，我們可以根據實際應用情況、安裝類型（例如通孔、麵板安裝或表麵安裝）來挑選。

IGBT單管

將MOSFET的簡單柵極驅動特性與雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力相結合。

圖6. IXYS 的IXYH16N170C

IGBT模塊

由IGBT與二極管通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品 。封裝後的IGBT模塊可以直接應用於變頻器

、UPS不間斷電源等設備上。IGBT模塊具有節能

、安裝維修方便、散熱穩定等特點。

圖7.Infineon的 FZ800R12KE3

圖8. Infineon 的 IM241-L6T2B 智能功率模塊 (IPM)

總結

IGBT 是一種功率半導體器件
，用於電子開關
，控製和改變電流的大小頻率，是電能轉換及應用的核心芯片。由於篇幅有限，IGBT 涉及的技術內容
、應用領域很廣
，所以歡迎大家在文末交流分享
，一起討論學習。

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