IGBT：绝缘栅双极型晶体管的结构与特性分析

"该文件是关于电力电子技术中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的介绍。IGBT是GTR和MOSFET的复合体，兼具两者优点，适用于中小功率电力电子设备。" 在电力电子领域，IGBT（Insulated-gate Bipolar Transistor）是一种重要的功率半导体器件，它综合了功率场控应晶体管(MOSFET)的电压驱动和高输入阻抗特性以及双极型晶体管(GTR)的大电流承载能力。IGBT的出现替代了部分GTR和MOSFET的应用，特别是在中小功率设备中占据主导地位。 IGBT是一个三端器件，包括栅极（G）、集电极（C）和发射极（E）。它的结构上比MOSFET多了一层P+注入区，形成了一个P-N结，增强了其通流能力。从等效电路来看，IGBT可以视为一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，内部的R代表基区内的调制电阻。 IGBT的工作原理类似于MOSFET，通过控制栅射极电压(uGE)来开启或关闭器件。当uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET部分形成沟道，为晶体管提供基极电流，使得IGBT导通。而关闭IGBT则需要在栅射极间施加反压或不加信号，使MOSFET的沟道消失，切断基极电流，从而关断器件。 IGBT的主要特性包括静态特性和动态特性。静态特性表现为伏安特性，分为正向阻断区、有源区和饱和区。动态特性关注开通和关断时间，如开通时间ton由开通延迟时间和电流上升时间组成，关断时间toff由关断延迟时间和电流下降时间决定。此外，IGBT的开关速度较快，开关损耗相对较小，但具体速度和损耗值位于GTR和MOSFET之间。对于高压器件，其通态压降与GTR相近，但低于MOSFET。IGBT的输入阻抗高，输入特性与MOSFET相似，且驱动电路需求也与MOSFET相仿，简化了驱动设计。 IGBT的应用广泛，尤其适合那些需要较高电流承载能力和快速开关性能的场合。然而，由于其通态压降一般大于0.7V，因此在要求更低压降的应用中，可能不是最佳选择。IGBT是电力电子技术中的关键元件，它在能源转换、电机控制、电源系统等领域发挥着至关重要的作用。