IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器材， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的长处。GTR饱满压下降，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT归纳了以上两种器材的长处，驱动功率小而饱满压下降。十分合适运用于直流电压为600V及以上的变流体系如沟通电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等范畴。
在绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)得到大力开展曾经，功率场效应管MOSFET被用于需求快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压范畴。MOSFET尽管有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简略的长处;可是，在200V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻跟着击穿电压的添加会敏捷添加，使得其功耗大幅添加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等的缺点。双极晶体管具有优异的低正导游通压降特性，尽管能够得到高耐压、大容量的元件;可是它要求的驱动电流大，操控电路十分复杂，并且交流速度不够快。
IGBT正是作为适应这种要求而开发的，它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)复合而成的一种器材，既有MOSFET器材驱动功率小和开关速度快的特色(操控和呼应)，又有双极型器材饱满压下降而容量大的特色(功率级较为经用)，频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常作业于几十KHz频率规模内。依据这些优异的特性，IGBT一向广泛运用在超越300V电压的运用中，模块化的IGBT能够满意更高的电流传导要求，其运用范畴不断进步，往后将有更大的开展。
IGBT的结构与特性：
如图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极(即发射极E)。N基极称为漏区。器材的操控区为栅区，附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区鸿沟构成。在C、E南北极之间的P型区(包含P+和P-区)(沟道在该区域构成)，称为亚沟道区(Subchannel region)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector)，它是IGBT特有的功用区，与漏区和亚沟道区一同构成PNP双极晶体管，起发射极的效果，向漏极注入空穴，进行导电调制，以下降器材的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。
IGBT的开关效果是经过加正向栅极电压构成沟道，给PNP(本来为NPN)晶体管供应基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，堵截基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动办法和MOSFET根本相同，只需操控输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道构成后，从P+基极注入到N-层的空穴(少子)，对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
IGBT是由MOSFET和GTR技能结合而成的复合型开关器材，是经过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的，功能上也是结合了MOSFET和双极型功率晶体管的长处。N+区称为源区，附于其上的电极称为源极(即发射极E)。P+区称为漏区。器材的操控区为栅区，附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区鸿沟构成。在C、E南北极之间的P型区(包含P+和P-区)(沟道在该区域构成)，称为亚沟道区(Subchannel region)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector)，它是IGBT特有的功用区，与漏区和亚沟道区一同构成PNP双极晶体管，起发射极的效果，向漏极注入空穴，进行导电调制，以下降器材的通态压降。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。
IGBT是由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR组成，它实践是以GTR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的复合管。IGBT除了内含PNP晶体管结构，还有NPN晶体管结构，该NPN晶体管经过将其基极与发射极短接至MOSFET的源极金属端使之关断。IGBT的4层PNPN结构，内含的PNP与NPN晶体管构成了一个可控硅的结构，有可能会构成IGBT的擎柱效应。IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因而在实践运用中(理性负载)需求调配恰当的快康复二极管。
IGBT的抱负等效电路及实践等效如图所示：
IGBT的抱负等效电路及实践等效电路
由等效电路可将IGBT作为是对PNP双极晶体管和功率MOSFET进行达林顿衔接后构成的单片型Bi-MOS晶体管。
因而，在门极-发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，PNP晶体管的基极-集电极就衔接上了低电阻，然后使PNP晶体管处于导通状况，由于经过在漏极上追加p+层，在导通状况下从p+层向n基极注入空穴，然后引发传导功能的改动，因而它与功率MOSFET比较，能够得到极低的通态电阻。
尔后，使门极-发射极之间的电压为0V时，首要功率MOSFET处于断路状况，PNP晶体管的基极电流被堵截，然后处于断路状况。
如上所述，IGBT和功率MOSFET相同，经过电压信号能够操控注册和关断动作。
IGBT的作业特性：
1.静态特性
IGBT 的静态特性首要有伏安特性、搬运特性和开关特性。
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的联系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的操控，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性类似.也可分为饱满区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状况下的IGBT ，正向电压由J2 结承当，反向电压由J1结承当。假如无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压能够做到相同水平，参加N+缓冲区后，反向关断电压只能到达几十伏水平，因而约束了IGBT 的某些运用规模。
IGBT 的搬运特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的联系曲线。它与MOSFET 的搬运特性相同，当栅源电压小于敞开电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状况。在IGBT 导通后的大部分漏极电流规模内， Id 与Ugs呈线性联系。最高栅源电压受最大漏极电流约束，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的联系。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B 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 总电流的首要部分。此刻，通态电压Uds(on) 可用下式表明：
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻。
通态电流Ids 可用下式表明：
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos ——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，只要很小的走漏电流存在。
2.动态特性
IGBT 在开经进程中，大部分时刻是作为MOSFET 来运转的，只是在漏源电压Uds 下降进程后期， PNP 晶体管由放大区至饱满，又添加了一段延迟时刻。td(on) 为注册延迟时刻， tri 为电流上升时刻。实践运用中常给出的漏极电流注册时刻ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时刻由tfe1 和tfe2 组成。
IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路发生。当挑选这些驱动电路时，有必要依据以下的参数来进行：器材关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的状况。由于IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可运用MOSFET驱动技能进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路供应的偏压更高。
IGBT的开关速度低于MOSFET，但显着高于GTR。IGBT在关断时不需求负栅压来削减关断时刻，但关断时刻随栅极和发射极并联电阻的添加而添加。IGBT的敞开电压约3～4V，和MOSFET适当。IGBT导通时的饱满压降比MOSFET低而和GTR挨近，饱满压降随栅极电压的添加而下降。
IGBT的作业原理：
IGBT是将强电流、高压运用和快速终端设备用笔直功率MOSFET的天然进化。由于完成一个较高的击穿电压BVDSS需求一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而构成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些首要缺点。尽管最新一代功率MOSFET 器材大幅度改进了RDS(on)特性，可是在高电平时，功率导通损耗依然要比IGBT 技能高出许多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的才能，以及IGBT的结构，同一个规范双极器材比较，可支撑更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
N沟型的 IGBT作业是经过栅极-发射极间加阀值电压VTH以上的(正)电压，在栅极电极正下方的p层上构成反型层(沟道)，开端从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少量载流子，从集电极衬底p+层开端流入空穴，进行电导率调制(双极作业)，所以能够下降集电极-发射极间饱满电压。作业时的等效电路如图1(b)所示，IGBT的符号如图1(c)所示。在发射极电极侧构成n+pn-寄生晶体管。若n+pn-寄生晶体管作业，又变成p+n- pn+晶闸管。电流持续活动，直到输出侧中止供应电流。经过输出信号已不能进行操控。一般将这种状况称为闭锁状况。
为了按捺n+pn-寄生晶体管的作业IGBT选用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为处理闭锁的办法。详细地来说，p+n-p的电流放大系数α规划为0.5以下。 IGBT的闭锁电流IL为额定电流(直流)的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET根本相同，通断由栅射极电压uGE决议。
(1)导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分类似，首要差异是IGBT添加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技能没有添加这个部分)，其间一个MOSFET驱动两个双极器材。基片的运用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道构成，一起呈现一个电子流，并彻底依照功率MOSFET的方法发生一股电流。假如这个电子流发生的电压在0.7V规模内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方法下降了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最终的结果是，在半导体层次内暂时呈现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流);空穴电流(双极)。uGE大于敞开电压UGE(th)时，MOSFET内构成沟道，为晶体管供应基极电流，IGBT导通。
(2)导通压降：
电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。
(3)关断：
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被制止，没有空穴注入N-区内。在任何状况下，假如MOSFET电流在开关阶段敏捷下降，集电极电流则逐步下降，这是由于换向开端后，在N层内还存在少量的载流子(少子)。这种剩余电流值(尾流)的下降，彻底取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种要素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高;穿插导通问题，特别是在运用续流二极管的设备上，问题愈加显着。
鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE亲近相关的空穴移动性有亲近的联系。因而，依据所到达的温度，下降这种效果在终端设备规划上的电流的不抱负效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和 TC有关。
栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被堵截，IGBT关断。
(4)反向阻断：
当集电极被施加一个反向电压时，J1 就会遭到反向偏压操控，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地下降这个层面的厚度，将无法获得一个有用的阻断才能，所以，这个机制十分重要。另一方面，假如过大地添加这个区域尺度，就会接连地进步压降。
(5)正向阻断：
当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压操控。此刻，依然是由N漂移区中的耗尽层接受外部施加的电压。
(6)闩锁：
IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特别条件下，这种寄生器材会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量添加，对等效MOSFET的操控才能下降，一般还会引起器材击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，详细地说，这种缺点的原因互不相同，与器材的状况有亲近联系。一般状况下，静态和动态闩锁有如下首要差异：
当晶闸管悉数导通时，静态闩锁呈现。
只在关断时才会呈现动态闩锁。这一特别现象严重地约束了安全操作区。
为避免寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采纳以下办法：一是避免NPN部分接通，别离改动布局和掺杂等级。二是下降NPN和PNP晶体管的总电流增益。
此外，闩锁电流对PNP和NPN器材的电流增益有必定的影响，因而，它与结温的联系也十分亲近;在结温文增益进步的状况下，P基区的电阻率会升高，破坏了全体特性。因而，器材制造商有必要留意将集电极最大电流值与闩锁电流之间坚持必定的份额，一般份额为1：5。
