IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种 复合型功率半导体器件，结合了 MOSFET 的高输入阻抗和双极晶体管（BJT）的低导通压降特性，广泛应用于高压、大电流场景（如电机驱动、逆变器、电源管理）。
IGBT 结构示意图（此处可替换为实际图片）
1. 基本结构
IGBT 由三层半导体结构组成：
- 栅极（Gate, G）：MOSFET 部分，控制开关（电压驱动）。
- 集电极（Collector, C）：对应 BJT 的集电极，承载大电流。
- 发射极（Emitter, E）：对应 BJT 的发射极，输出电流。
- 漂移区（N- Drift Layer）：承受高电压的关键区域。
等效电路：可视为 MOSFET 驱动 BJT，栅极电压通过 MOSFET 控制 BJT 的基极电流。
2. 工作原理
IGBT 通过栅极电压（VGE）控制集电极-发射极电流（IC），分为以下区域：
工作模式
- 截止区：VGE < 阈值电压（VGE(th)），IGBT 关断，IC ≈ 0。
- 饱和区：VGE > VGE(th) 且 VCE 较小，IGBT 完全导通，压降低（通常 1.5V~3V）。
- 有源区：VGE > VGE(th) 但 VCE 较高，电流部分受控（类似 MOSFET 的线性区）。
关键特性：
- 导通时表现为 BJT 特性（低导通压降）。
- 关断时表现为 MOSFET 特性（高输入阻抗）。
- 存在拖尾电流（Tail Current），关断速度慢于 MOSFET。
3. 主要参数
| 参数 |
说明 |
| VCE(sat)（饱和压降） |
导通时的集电极-发射极电压，影响导通损耗。 |
| IC（集电极电流） |
最大连续工作电流，受封装和散热限制。 |
| VCES（击穿电压） |
集电极-发射极可承受的最高电压（如 600V、1200V、1700V）。 |
| ton/toff（开关时间） |
开通/关断时间，影响高频性能（通常为微秒级）。 |
| Eon/Eoff（开关损耗） |
每次开关过程中的能量损耗。 |
4. 应用场景
- 电机控制：变频器、伺服驱动、电动汽车（EV）逆变器。
- 电源管理：不间断电源（UPS）、开关电源（SMPS）。
- 可再生能源：太阳能逆变器、风力发电系统。
- 消费电子：电磁炉、空调压缩机。
5. 特点与优势
- 高压大电流：可承受数百伏至数千伏电压，适合功率应用。
- 低导通损耗：饱和压降低于 MOSFET，效率更高。
- 电压驱动：栅极驱动简单（与 BJT 相比无需基极电流）。
- 安全工作区（SOA）宽：抗短路能力强。
6. 与 MOSFET 和 BJT 的对比
| 特性 |
IGBT |
MOSFET |
BJT |
| 驱动方式 |
电压控制（高输入阻抗） |
电压控制 |
电流控制（基极电流） |
| 导通压降 |
低（1.5V~3V） |
较高（与 RDS(on) 相关） |
低（硅饱和压降 ~0.7V） |
| 开关速度 |
中等（拖尾电流影响） |
快（无少数载流子存储） |
慢（受存储时间限制） |
| 适用电压 |
高压（>600V） |
低压（<1000V） |
低压（<1000V） |
典型应用电路
- 三相逆变器：6 个 IGBT 组成 H 桥，将直流电转换为交流电。
- BUCK 电路：IGBT 替代 MOSFET，用于高电压降压转换。
7. 发展趋势
- 宽禁带材料：SiC-IGBT 和 GaN-IGBT 进一步降低损耗。
- 集成化：IGBT 模块与驱动电路、传感器集成（智能 IGBT）。
- 高频化：优化拖尾电流，提升开关频率（>100kHz）。
IGBT 是现代功率电子技术的核心器件，尤其在能源转换和高效电机控制中不可替代。
