IGBT（英文全稱：Insulated   gate   bipolar   transistor, insulated gate bipolar transistor）是一種全控電壓驅(qū)動型功率半導體器件，由雙極結(jié)型晶體管組成（BJT）和金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）它結(jié)合了兩者的優(yōu)點，即高輸入阻抗、控制功率小、易于驅(qū)動、開關頻率高、傳導電流大傳導損耗小等特點。IGBT可以理解為“非通即斷” 開關可以將DC電壓逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，主要用于變頻逆變器等逆變電路中，被稱為電力電子器件“CPU”，高效節(jié)能減排的主力軍。

1979—1980 美國北卡羅來納州大學 B.通過結(jié)合雙極結(jié)型晶體管，JayantBaliga教授（BJT）技術和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOS‐FET）IGBT開發(fā)的 技術。然而，由于結(jié)構和技術的限制，這項技術直到1986年才真正應用。目前（截至2023年9月）IGBT 經(jīng)歷了六代的變化，主要是在結(jié)構設計方面、工藝技術、技術性能等維度進行了持續(xù)優(yōu)化。

IGBT主要由芯片組成、覆銅陶瓷襯底、基板、散熱器通過焊接形成，并具有柵格g、集電極c和發(fā)射極e是三端器件。IGBT主要有單管模塊、標準模塊和智能功率模塊。此外，IGBT是目前大功率開關器件中最成熟應用最廣泛的功率器件，具有MOSFET 高輸入阻抗和GTR低導通壓降的優(yōu)點 驅(qū)動功率低，飽和電壓降低，是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵钠骷Ｄ壳埃琁GBT用于軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車和新能源設備廣泛應用于電氣領域。新能源汽車的未來、光伏/風電逆變器、以5G通信、以UHV和充電樁為代表的新基礎設施將成為IGBT最大的驅(qū)動力，有望不斷擴大IGBT的市場應用范圍。

IGBT是由數(shù)百萬個細胞組成的重復陣列，本質(zhì)上是一個四層 N-P-N-帶漂移區(qū)的P 晶閘管結(jié)構（發(fā)射區(qū)）緩沖區(qū)和注入?yún)^(qū)（集電區(qū)），以及柵極G、集電極c和發(fā)射極e是三端器件。

集電極：集電極的作用是提高器件的注入效率，從而降低器件的通態(tài)壓降濃度越高，器件的通態(tài)壓降越小，但關態(tài)功耗越大一般采用條形集電極結(jié)構集電極的注入效率由其結(jié)面積和摻雜濃度決定，結(jié)面積越大、摻雜濃度越高，有效注入效率越高。集電極產(chǎn)生的電流是集電極漏電流。目前，本領域提到的IGBT集電極的漏電流通常是指集電極在外部激勵作用下柵壓為0時產(chǎn)生的電流。它通常被視為IGBT設備在工廠或使用中檢驗合格的重要標準之一。

發(fā)射極：發(fā)射器實際上充當放大電路來放大信號。

柵極：電網(wǎng)是弱電和強電的電路接口，需要一定的高壓隔離功能此外，電網(wǎng)還應具有欠壓保護、為了滿足高可靠性的要求，IGBT門驅(qū)動器通常需要三個獨立的傳輸通道兩個通道的傳輸方向是從高壓側(cè)到低壓側(cè)，分別用于傳輸高壓側(cè)去飽和監(jiān)控信號和高壓側(cè)欠壓閉鎖監(jiān)控信號，一個通道的傳輸方向是從低壓側(cè)到高壓側(cè)，用于傳輸數(shù)字控制信號。

緩沖區(qū)：緩沖區(qū)在p注入?yún)^(qū)和n之間-漂移區(qū)之間的n層。具有N個緩沖區(qū)的IGBT稱為不對稱IGBT（也被稱為穿通IGBT）具有小的向前壓降、犬斷時間短、關斷時的尾電流較小，但其反向阻斷能力相對較弱。無N-緩沖區(qū)中的IGBT被稱為對稱IGBT（也稱為非穿通IGBT）它具有很強的前向和后向阻斷能力，其他特性比穿通IGBT差。

注入?yún)^(qū)（集電區(qū)）：如下圖所示，當IGBT接入電路時，部分載流子從注入?yún)^(qū)P發(fā)射到基區(qū)N，從而調(diào)節(jié)漂移區(qū)的電導率因此，IGBT具有很強的電流流通能力。

IGBT本質(zhì)上是一個由單個MOSFET驅(qū)動的PNP晶體管，和MOSFET一樣，它也是一個壓控器件，所以它的開關是通過柵極 實現(xiàn)的- 發(fā)射極電壓。其中，當在門 中時-當在 的發(fā)射極之間施加正電壓時，將在MOSFET 中形成一個溝道，并將提供 PNP 晶體管的基極電流，因此IGBT將導通。同時，在 中，從 P 到 N注入的空穴對N區(qū)進行電導調(diào)制，N區(qū)電阻RN降低，使IGBT 也具有低通態(tài)壓降的功能。然后，當在柵-當發(fā)射極之間施加負電壓時，MOSFET中的溝道將迅速消失，PNP 晶體管的基極電流將被 切斷，IGBT將被關斷。IGBT的工作狀態(tài)主要包括傳導、導通壓降、關斷、反向阻斷、正向阻斷、閂鎖。

IGBT

關斷與導通：IGBT管和MOSFET一樣，也是一種壓控器件，通過柵極來控制開關-發(fā)射極電壓。當在柵-當發(fā)射極之間施加正電壓時，MOSFET中會形成一個溝道，為PNP晶體管提供基極電流，從而發(fā)生導通現(xiàn)象同時，從P區(qū)注入V區(qū)的空穴會進行電導調(diào)制，該區(qū)的電阻R減小，使IGBT也具有低通態(tài)壓降的功能。當在柵-當在發(fā)射極之間施加負電壓時，MOSFET中的溝道將迅速消失，PNP晶體管的基極電流將被切斷，然后發(fā)生關斷現(xiàn)象。

傳導電壓降：所謂開態(tài)壓降是指IGBT進入開態(tài)時的管壓降UDS，該電壓隨著UCS的增加而降低。

阻斷：如果集電極獲得反向電壓，P-區(qū)和N區(qū)的J結(jié)會受到反向偏置的影響，同時由于層厚減薄太多而失去阻擋能力，耗盡層轉(zhuǎn)向N-區(qū)域擴張，此外，如果區(qū)域尺寸增加超過一定值，壓降將繼續(xù)增加，并形成反向阻塞。如果集電極得到正電壓，柵極和發(fā)射極短路，P-區(qū)域 和N區(qū)域之間的J結(jié)由反向電壓控制，并且在正向上被阻斷。

閂鎖：IGBT在集電極和發(fā)射極之間有一個寄生PNPN晶閘管，這個寄生器件將在特殊條件下打開。這種現(xiàn)象會增加集電極和發(fā)射極之間的電流，降低等效MOSFET的控制能力，通常會引起器件擊穿。晶閘管導通現(xiàn)象被稱為IGBT閉鎖。

靜態(tài)特性

IGBT的靜態(tài)特性主要包括伏安特性、傳輸特性和開關特性。

IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參數(shù)變量時漏極電流和柵極電壓之間的關系曲線輸出漏極電流比由柵源電壓Ugs控制，Ugs越高， Id越大。這與GTR的產(chǎn)出特征相似。它也可以分為飽和區(qū)1、放大區(qū)域2和擊穿特性3。在IGBT關斷狀態(tài)下，直流電壓由J2結(jié)承擔，反向電壓由J1結(jié)承擔。如果沒有N緩沖器，正向和反向阻斷電壓可以是一個級別，加上N緩沖器后，反向關斷電壓只能達到幾十伏，從而限制了IGBT 的一些應用范圍。

IGBT 的傳輸特性是指輸出漏極電流Id和柵源電壓Ugs之間的關系曲線。當柵極源極電壓小于導通電壓Ugs時，它具有與MOSFET相同的傳輸特性(th)在 ，IGBT處于關閉狀態(tài)。在IGBT開啟后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs成線性關系，最大柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般在 15V 左右。

IGBT 的開關特性指漏極電流和漏極源極電壓之間的關系。當IGBT 處于導通狀態(tài)時，其B 值極低，因為其PNP 晶體管是一個寬基極晶體管。雖然等效電路是達林頓結(jié)構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。由于N  區(qū)域的電導調(diào)制效應，IGBT 的通態(tài)壓降較小，耐壓1000V的IGBT 的通態(tài)壓降為2 ~ 3V 。當IGBT 關閉時，僅存在很小的漏電流。

動態(tài)特性

在開啟期間，IGBT大部分時間作為 MOSFET 運行，但是在漏源電壓下降的后期， 晶體管從放大區(qū)域變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，這增加了延遲時間。td(on) 是開啟延遲時間， tri 是電流上升時間。在實際應用中， ton 的漏極電流導通時間為 td (on) 的總和。漏源電壓的下降時間由 tef13356和 tef23356組成。

IGBT 的觸發(fā)和關斷需要在其柵極和基極之間施加直流電壓和負電壓，柵極電壓可以由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下參數(shù)：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、固體電阻要求和電源情況。因為IGBT門-發(fā)射極阻抗很大，因此可以通過MOSFET驅(qū)動技術觸發(fā)然而，由于IGBT的輸入電容大于MOSFET的輸入電容，因此IGBT的關斷偏置應該高于許多MOSFET驅(qū)動電路提供的關斷偏置。

在IGBT關斷期間，漏極電流的波形變成兩段。由于PNP晶體管存儲的電荷在MOSFET關斷后難以快速消除，因此漏極電流具有較長的拖尾時間td(off) 是關斷延遲時間，trv是電壓Uds(f)的上升時間。在實際應用中，漏極電流的下降時間Tf往往由 t給出(f1)和t(f2)和漏極電流的關斷時間t(off)=td(off)Trv  ten   tons(f)，式中，td(off) 和 trv 之和也稱為存儲時間。

透明集電區(qū)技術：集電區(qū)層（下層）結(jié)構新概念———透明集電極技術將IGBT集電極的空穴注入效率降低到零.低于5時，電子流在通過集電極結(jié)的總電流中起主要作用，一般達到70%以上。當IGBT關閉時-存儲在該區(qū)域中的多余電子可以通過集電極區(qū)域快速流出，從而實現(xiàn)快速關斷。所以不需要生命控制技術。這樣不僅開關速度快，而且獲得了UCE sat和Ron正溫度系數(shù)的寶貴性能，并且關斷損耗隨溫度變化很小。這種溫度性能可以粗略地理解為透明收集器IGBT更接近于n-區(qū)域電導調(diào)制MOSFETㄢ

電場中止技術：n-耐壓層（中層）結(jié)構新概念———電場中止（Field   stops, FS）技術，其核心在n-在耐壓層和p型集電極區(qū)域之間增加了比率n-具有小區(qū)域?qū)挾群洼^高摻雜濃度的n型緩沖層。根據(jù)泊松方程，電場強度在該層中迅速減小到零以停止電場并同時增加N-該區(qū)域的電阻率，以便用更薄的耐壓層實現(xiàn)相同的擊穿電壓。其主要優(yōu)點是耐壓層的減薄可以降低導通電阻和關斷損耗，后者是因為導通狀態(tài)下存儲的載流子總量減少。

溝槽柵技術：該技術在IGBT硅片的正面挖了許多淺而密的溝槽，在溝槽側(cè)壁制作了柵氧化層和柵電極，使得MOS FET的溝道成為沿溝槽側(cè)壁的垂直溝道其優(yōu)點如下：Ron組件中的RJFET被取消，并且溝道是垂直的，每個單元占用的表面積很小，因此單位面積芯片中的溝道數(shù)量和總溝道寬度增加，并且Rch與溝道寬度成比例減小/長度比適當?shù)牟蹖捄烷g距可以提高n-該區(qū)域近表層的載流子濃度。以上三個特性都可以使Ron明顯小于平面柵結(jié)構。

然而，它也有其缺點：如果溝道寬度太大，柵極電容就會太大，從而影響開關速度設計不當將導致IGBT的短路電流過大，短路安全將成為問題挖出表面光滑的槽壁在技術上很困難，不光滑的表面會影響擊穿電壓并降低生產(chǎn)良率。

提高近表層載流子濃度的技術：在一般的IGBT中，N是從P型集電極區(qū)域注入的-在向上表面移動的過程中，耐壓層中的空穴濃度逐漸降低，因此n-該區(qū)域越靠近表面，電導調(diào)制越弱，電阻越大。提高近表層載流子濃度的技術是通過各種方法提高N-電子空穴對在該區(qū)域中靠近表面的濃度使導通電阻最小化。

目前，采取的主要措施有：1、增加pnp管橫向間距技術。在IGBT，MOS FET和pnp管是達林頓連接，pnp管的集電極結(jié)總是反向偏置，所以N-pnp管在基極區(qū)上邊緣的集電極結(jié)附近的空穴濃度非常低。具體實現(xiàn)方法是：每隔幾個單元布置一個pnp管，適用于平面柵和溝槽柵圖4顯示了IEGT使用的結(jié)構。溝槽柵IGBT也可以通過簡單地加寬溝槽的寬度來實現(xiàn)。2、空穴阻擋層，即載流子存儲層技術。一種技術是在IGBT的pnp晶體管的P型集電極區(qū)域周圍使用略高于N的摻雜濃度-被n層包圍的區(qū)域，借助n/n-高低結(jié)之間的接觸電位差使N型相對于N型-a型具有更高的潛力，這使得n型相對于n-A型具有較高的電勢，從而成為阻止空穴流向pnp管集電極區(qū)的屏障，這可以提高n-基極區(qū)上邊界附近的空穴濃度改善了電導調(diào)制并降低了Ron中的RPINㄢ

閂鎖效應

閉鎖效應Latching effect，也稱鎖定效應，是IGBT超安全工作區(qū)引起的不可控電流現(xiàn)象。門閂是大門或門的固定裝置。當閂鎖發(fā)生時，IGBT與連續(xù)電流導通狀態(tài)相關聯(lián)。施加的柵極電壓對輸出集電極電流沒有影響。在不同的柵壓下，IGBT的輸出集電極電流特性成為一條與柵壓無關的曲線，觀察到的現(xiàn)象是IGBT直流電壓降低。因此，它可以被定義為IGBT的高電流狀態(tài)，伴隨著崩潰或低電壓狀態(tài)，并且只有通過反轉(zhuǎn)集電極電壓的極性或關閉電壓才能停止閂鎖。在DC或交流應用中，設備產(chǎn)生的熱量可能會很大，導致其燃燒。

IGBT有兩種鎖存模式，即靜態(tài)和動態(tài)。

當電流密度超過臨界值時，就會發(fā)生靜態(tài)閂鎖效應，因此在這種模式下，集電極電壓很低，集電極電流很大。對IGBT的無損檢測表明，閉鎖過程并不局限于IGBT的局部地區(qū)，而是蔓延到大多數(shù)其他活躍地區(qū)。

當集電極電流和集電極電壓都很高時，開關期間會發(fā)生動態(tài)閂鎖。然而，動態(tài)鎖存所需的電流密度低于靜態(tài)模式。在IGBT關斷期間，快速消失的內(nèi)部MOSFET動作將導致大量空穴沿基極電阻Rb的相反方向流動，從而形成壓降。當電壓降超過 0時.在7V時，大量電子從N發(fā)射極區(qū)注入P基極區(qū)。因此，在動態(tài)模式下，當集電極電流因空穴流過大而較低時，就會發(fā)生閂鎖。

在需要強制關斷柵極的電路中，通常使用IGBT來確保動態(tài)閂鎖電流遠大于最大工作電流。由于靜態(tài)閂鎖電流小于動態(tài)閂鎖電流，施加這一設計約束將有助于避免靜態(tài)閂鎖。因此，它可以被視為最壞情況的設計標準，如果滿足這個標準，將保證該設備在所有工作條件下都可以解鎖工作。這里需要指出的是，如果可以減緩關斷過程，大部分注入的空穴將在漂移區(qū)復合，因此閂鎖的可能性相對較小。

短路失效

IGBT的短路分為一種短路和兩種短路第一種短路也叫直接短路，第二種短路通常叫大電感短路。在一種短路的情況下，回路的電感通常很小，約為 100nH ，主要依靠Vce（sat）進行檢測。第二類短路分為相間短路和相對地短路，回路電感比較大，一般在uH級別，可以通過電流傳感器或 Vce檢測到（sat）檢測，根據(jù)當前的變化率。通常，這種短路中的電感是不確定的。

當發(fā)生某種短路時，IGBT 的電流將迅速上升，當電流上升到額定電流的4倍時，IGBT將進入去飽和狀態(tài)。 IGBT去飽和時，是非常危險的狀態(tài)IGBT去飽和時，IGBT承受的電壓等于母線電壓，流過IGBT的電流約為IGBT額定電流的4倍通過計算可以得出，此時的IGBT損耗會很大，很容易造成IGBT燒毀。根據(jù)IGBT的數(shù)據(jù)表，它最多可以承受大約10us此時，駕駛員必須關閉驅(qū)動波形，否則會損壞IGBT。

閂鎖效應和短路故障的解決方案通常通過以下技術來避免IGBT產(chǎn)生閉鎖效應：減小體積膨脹電阻 Rs ，避免閂鎖效應、通過優(yōu)化N緩沖層的厚度和摻雜來控制PNP晶體管的hFE，通過引入降低壽命的摻雜物質(zhì)來控制PNP晶體管的hFE。避免IGBT短路的基本方法是在驅(qū)動電路上使用去飽和保護方法當IGBT去飽和時，驅(qū)動電路可以立即檢測到去飽和并及時關閉IGBT的驅(qū)動波形，從而有效地保護了IGBT的可靠運行。

近年來，隨著科學技術的發(fā)展，它適用于大電流、高電壓條件下的IIGBT組件已經(jīng)模塊化生產(chǎn)。它的驅(qū)動電路也已經(jīng)被由分立元件組成的集成IBGT專用驅(qū)動電路所取代。與其前身相比，這種模塊化IGBT元件具有體積小的優(yōu)點、可靠性高、更好的性能和許多其他優(yōu)勢。

應用領域及數(shù)據(jù)：基于自身的優(yōu)勢和特點，IGBT現(xiàn)階段被廣泛應用于工業(yè)控制中、變頻家電、軌道交通、智能電網(wǎng)和新能源汽車等重點領域。

工業(yè)控制領域：工業(yè)控制領域?qū)GBT的市場需求最大，并呈逐步增長趨勢。因為IGBT模塊是變頻器、逆變焊機等傳統(tǒng)工控和電源行業(yè)的核心部件，隨著工控和電源行業(yè)市場的逐步恢復，IGBT模塊將發(fā)揮更加關鍵的作用。

IGBT

變頻家電領域：在變頻家電領域，IGBT的特點是頻率高、低損耗特性已逐漸成為變頻家用電器領域的關鍵器件，而在變頻家用電器中的主要用途是set驅(qū)動電路、集保護電路功能于一體的IGBT模塊。IGBT模塊在變頻器中不僅起到傳統(tǒng)三極管的作用，還起到整流的作用。隨著人們生活水平的逐步提高■節(jié)能意識，變頻空調(diào)、變頻洗衣機、變頻冰箱和無焰烹飪電磁爐等變頻電器在市場上越來越受歡迎，IGBT在這一領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

軌道交通：軌道交通對IGBT也有巨大的需求目前，大功率IGBT模塊是電力機車和高速動車組的核心部件。根據(jù)相關數(shù)據(jù)，電力機車一般需要500個IGBT模塊，動車組需要100多個IGBT模塊，地鐵需要50 ~ 80個IGBT模塊。

智能電網(wǎng)領域：在智能電網(wǎng)領域，IGBT每年的市場需求可達4億元在新能源汽車中，IGBT模塊約占整車成本的7%～10%，是除電池外成本第二高的部件，決定了整車的能效。

新能源發(fā)電：它在新能源發(fā)電領域發(fā)揮著至關重要的作用，是電動汽車和充電樁的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本的近10%，約占充電樁成本的20%此外風力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要IGBT。

應用數(shù)據(jù)：根據(jù)HIS Markti的數(shù)據(jù)，2019年IGBT模組市場份額排名前五的公司是英飛凌、三菱、富士、半導體和維科電子，這五家公司占了68家.8%的市場份額。在國內(nèi)新能源汽車IGBT模塊市場，英飛凌2019年美國市場份額占58.2%處于絕對領先地位。從2012年到2019年，中國IGBT的年復合增長率為14.52%根據(jù)預測，中國 受益于新能源汽車和產(chǎn)業(yè)需求的大幅增長，美國IGBT市場將繼續(xù)增長到2025年，中國IGBT市場將達到522億人民幣，2018年至2025年的復合增長率為195.96%。