为什么说IGBT的诞生，使人类“驯服”了电！

时间： 2024-09-13 来源：阿基米德半导体公众号

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摘要：

随着新能源汽车行业的蓬勃发展，一种功率半导体器件慢慢被大众所熟知，它就是IGBT。IGBT的全称是绝缘栅双极型晶体管。我们知道三极管又叫做双极型晶体管（BJT），而MOS管又叫做绝缘栅型场效应管。因此，从IGBT的名称绝缘栅双极型晶体管我们就可以猜测出它应该是三极管和MOS管结合而成的一种半导体器件。而事实上也就是如此，IGBT是由三极管和MOS管组合而成的一种全控型电压驱动式功率半导体器件，它同时具有MOSFET高输入阻抗的特点和三极管低导通压降的特点。简单的来说，IGBT就是一个非通即断的开关，它没有电压、电流的放大作用，导通时可以看做是导线，断开时看做是断路。相较于普通的开关来说，它的优点有，可以用小电压控制大电压、大电流的导通与关断，且导通电阻很小，开关频率可以很高，控制功率低，控制简单方便。

一、IGBT的提出

当用三极管作为开关时，三极管的导通电流一般都是mA级别的，这个导通电流不会很大。那原因是什么呢？

假设一个三极管的放大倍数是100，那么当三极管导通电流为300mA时，基极电流为3mA；如果需要导通电流为300A，则基极电流就为3A，导通电流的增大需要基极电流也相应的增大，导致了驱动功率的增大。三极管也有一个优点，就是导通时CE之间的导通电阻小，因此导通功耗低。

当用MOS管作为开关时，由于其栅极G有一层SiO2绝缘层,导致其具有很高的输入阻抗，一般可达10^10Ω，栅极输入电流也几乎为0，因此所需要的驱动功率小，同时MOS管还具有开关速度快的优点。但当功率很高时，MOS管的导通电阻比较大，导致导通损耗大。

天才的设想，能不能将三极管与MOS管取长补短，设计一种兼具两者优点的新器件呢？基于这个设想，IGBT应运而生。

二、IGBT基本结构和导通原理

IGBT的电路符号下图所示，它包括了栅极G、集电极C和发射极E。栅极G是控制开关的控制端子，集电极和发射极是导通端子，当给栅极G施加高电压时，集电极和发射极之间就会导通；当给栅极G施加低电压时，集电极和发射极之间就会关断。

IJBT的结构示意图如下图所示，下面简单的介绍一下IGBT的导通过程。

当栅极G施加高电压时，在栅极电场的作用下，与栅极相连的二氧化硅绝缘层下面会聚集P型半导体中的少数载流子——自由电子，从而形成如图中粉色框所示的反型层。这个反型层的形成在栅极的二氧化硅绝缘层下面构成了一个导电沟道，使得图中的小蓝色方框的N型半导体与中间的N-漂移层之间形成了连接。如果将N-漂移层直接接上漏极，那么就形成了MOS管。IGBT的结构在MOS管结构的基础上增加了一个P+衬底，构成了4层结构。P+的意思是这块P型半导体的掺杂浓度很高，即多数载流子——空穴的含量很高。

通过上面的分析，当栅极G施加大于阈值的正电压时，构成了自由电子从发射极E到小方块N型半导体，再到反型层，然后到N-漂移层的通路。如果IGBT想要导通，还需要N-漂移层与P+衬底之间形成的PN结导通，即需要集电极C施加大于J1 PN结导通的正电压。

三、IGBT需要了解的几个细节

IGBT的等效电路图如下图所示。

1.从IGBT的结构可以看出，其结构中包含了一个上部的MOSFET，左边一个PNP三极管还有一个NPN三极管结构。

2.当栅极施加大于阈值的正电压时，形成的N-漂移层中的电流相当于左边PNP三极管的基极电流，当基极电流达到一定数值后，会使PNP三极管导通，形成集电极到发射极的导通电流。

3.拖尾电流：当IGBT导通时，电子从N-漂移区流向背面P+集电极，P+集电极向上发射空穴，电子和空穴共同构成了IGBT电流。当关断时，电子迅速从沟道抽走，而多余的空穴只能靠慢慢复合消失，因此就形成了拖尾电流。

4.闩锁效应：

如上图所示，IGBT结构中的PNP三极管和NPN三极管构成了一个晶闸管，在NPN三极管的基极和发射极之间存在一个寄生电阻Rs，P型半导体的横向空穴电流会在Rs上产生一定的压降，对于NPN三极管来说相当于一个正向偏置电压。当集电极电流在规定范围内时，这个偏置电压不会很大，NPN三极管不会导通。当集电极电流很大时，这个偏置电压就会使NPN三极管导通，进而使得晶闸管导通。此时，栅极将失去开关控制作用，形成了自锁导通。这种叫做静态闩锁效应。

除此之外，IGBT在高速关断时，电流下降太快（即di/dt很大），因此dv/dt也很大，会引起较大的位移电流，流过Rs，产生足以使NPN三极管导通的正向偏置电压，造成晶闸管的自锁导通，发生闩锁效应。这种叫做动态闩锁效应。

四、IGBT的应用领域

1.新能源汽车

在新能源汽车中，除了动力电池的成本最高外，其次高的就是IGBT了。比如在特斯拉Model3上，提供电源的是7000节18650电池，这些电池可以提供高达400V的直流电。但特斯拉的驱动电机使用的是交流电，通过改变驱动电机交流电的频率，来改变电机的转速，从而控制车辆的速度和加速度。电动汽车可以实现3秒加速到100公里/小时的强悍起步能力，其中就有IGBT的功劳。

2.充电桩

充电桩的电源是电网的220V交流电，而电动汽车的电池需要直流电进行充电，这就需要IGBT将交流电变成直流电。

3.高铁、地铁

交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。

除此之外，IGBT的应用领域还包括光伏逆变器、风电变流器、工业控制领域等。

从上图可以看出，IGBT的开关频率介于双极型晶体管（BJT）和MOS管之间，其功率大于MOS管。因此，小功率高开关频率的场合一般选用MOS管，而大功率且开关频率也较高时，选用IGBT。

如果需要更高开关频率和更大功率的器件，由于硅材料极限的限制，硅基半导体已经无法实现。这时候就需要禁带宽度更宽的半导体材料才可以实现，比如SiC和GaN。如果对宽禁带半导体感兴趣的朋友可以在评论区留言。

五、IGBT的主要生产厂家

在2014年以前，我国的高端IGBT主要依靠进口，为了成功研发高铁芯片的IGBT，打破西方国家的垄断，在2008年全球金融危机时，株洲电力机车研究所旗下的上市子公司“时代电气”抓住机会，以1.09亿人民币的价格成功收购了英国老牌IGBT生产厂家“丹尼克斯”75%的股权。后面经过6年的潜心研发，于2014年6月，建成了国内首条，世界第二条8英寸IGBT生产线，同时具备从设计、制造、封装、测试的全套生产能力，彻底打破了高端IGBT技术被国外垄断数十年的局面。

目前国内主要的IGBT生产厂家有：亚迪半导、士兰微、中车时代电气、华润微扬杰科技、华微电子、斯达半导等。

国外的IGBT生产厂家主要有：英飞凌、三菱、安森美、意法半导体、东芝等。

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