绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 是一种三端功率半导体器件，主要用作电子开关，将MOSFET 的高输入阻抗与双极晶体管(BJT)的高载流能力的优点相结合。它广泛用于变频驱动器 （VFD）、开关电源和电机控制系统等电力电子应用。
绝缘栅双极晶体管也简称为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，是传统双极结型晶体管（BJT） 和场效应晶体管（MOSFET） 的混合体，使其成为半导体开关器件的理想选择。
IGBT 晶体管采用了这两种常见晶体管的优点，即 MOSFET 的高输入阻抗和高开关速度以及双极晶体管的低饱和电压，并将它们组合在一起，生产出另一种类型的晶体管开关器件，能够处理大集电极-发射极电流，栅极电流驱动几乎为零。
绝缘栅双极晶体管（IGBT） 将 MOSFET 的绝缘栅极（因此得名的第一部分）技术与传统双极晶体管的输出性能特征（因此得名）。
这种混合组合的结果是，“IGBT晶体管”具有双极晶体管的输出开关和导通特性，但像MOSFET一样进行电压控制。
IGBT主要用于电力电子应用，如逆变器、转换器和电源，功率双极和功率MOSFET无法完全满足固态开关器件的需求。可以使用大电流和高压双极性，但它们的开关速度较慢，而功率 MOSFET 可能具有更高的开关速度，但高压和大电流器件价格昂贵且难以实现。
与BJT或MOSFET相比，绝缘栅双极晶体管器件的优势在于，它比标准双极型晶体管具有更大的功率增益，并具有MOSFET更高的电压工作和更低的输入损耗。实际上，它是一种与双极晶体管集成的 FET，其形式为达林顿型配置，如图所示。
IGBT构造
我们可以看到，绝缘栅双极晶体管是一种三端子跨导器件，它结合了绝缘栅 N 沟道 MOSFET 输入和 PNP 双极晶体管输出，以达林顿配置连接。
因此，端子被标记为：集电极、发射极和栅极。它的两个端子 （C-E） 与通过电流的电导路径相关联，而它的第三个端子 （G） 控制器件。
绝缘栅双极晶体管实现的放大量是其输出信号与输入信号之间的比率。对于传统的双极结型晶体管 （BJT），增益量大约等于输出电流与输入电流的比率，称为 Beta。
对于金属氧化物半导体场效应晶体管或 MOSFET，由于栅极与主载流通道隔离，因此没有输入电流。因此，FET的增益等于输出电流变化与输入电压变化的比率，使其成为跨导器件，IGBT也是如此。然后我们可以将 IGBT 视为功率 BJT，其基极电流由 MOSFET 提供。
绝缘栅双极晶体管可用于小信号放大器电路，其方式与 BJT 或 MOSFET 型晶体管大致相同。但是，由于 IGBT 结合了 BJT 的低导通损耗和功率 MOSFET 的高开关速度，因此存在一种最佳的固态开关，非常适合用于电力电子应用。
此外，IGBT 的“导通”电阻要低得多，R上比等效的 MOSFET。这意味着我2R对于给定开关电流，双极性输出结构上的压降要低得多。IGBT 晶体管的正向阻断作与功率 MOSFET 相同。
当用作静态控制开关时，绝缘栅双极晶体管的额定电压和电流额定值与双极晶体管相似。然而，IGBT 中存在隔离栅极，使其驱动起来比 BJT 简单得多，因为所需的驱动功率要少得多。
绝缘栅双极晶体管只需通过激活和停用其栅极端子即可“打开”或“关闭”。在栅极和发射极上施加正输入电压信号将使器件保持“ON”状态，而使输入栅极信号为零或略负将导致其以与双极晶体管或eMOSFET大致相同的方式“关闭”。IGBT 的另一个优点是它的导通通道电阻比标准 MOSFET 低得多。
IGBT原理
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源漏沟道，而这个沟道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有 RDS(on) 数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了 RDS(on) 特性，但是在高耐压的器件上，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低 VCE(sat) 的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
IGBT导通
IGBT的结构与功率MOSFET十分相似，主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），如等效电路图所示，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。
基片的应用在管体的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沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功 MOSFET的方式产生电流。如果电子流产生的电压在 0.7 V 范围内，那么J1将处于正向偏压状态，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电子流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑，即一个电子流（MOSFET 电流）和空穴电流（双极）。
IGBT关断
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，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，集电极电流引起功耗升高和交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。
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，以及与IC 和VCE 密切相关的空穴移动性有密切关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。
IGBT阻断与闩锁
当集电极被施加一个反向电压时， J1受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。
另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降，因此IC 和电荷移动速度相同时，NPT器件的压降比等效PT器件的高。
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/N J3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。
IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，如图1所示。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁。具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件状态关系密切：通常情况下，当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现，只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别；降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。
此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1:5。
IGBT特性
由于 IGBT 是一种压控器件，因此它只需要栅极上的小电压即可保持通过器件的导通，而 BJT 则需要连续提供足够量的基极电流以维持饱和度。
此外，IGBT 是一种单向器件，这意味着它只能在“正向”上切换电流，即从集电极到发射极，这与具有双向电流开关能力（在正向控制和在反向不受控制）的 MOSFET 不同。
绝缘栅双极晶体管的工作原理和栅极驱动电路与N沟道功率MOSFET非常相似。基本区别在于，当电流在“ON”状态过器件时，主导通通道提供的电阻在IGBT中要小得多。因此，与同等功率 MOSFET 相比，额定电流要高得多。
与其他类型的晶体管器件相比，使用绝缘栅双极晶体管的主要优点是其高压能力、低导通电阻、易于驱动、相对较快的开关速度以及与零栅极驱动电流相结合，使其成为中速、高压应用的理想选择，例如脉宽调制 （PWM）、变速控制、 开关模式电源或太阳能供电的 DC-AC 逆变器和变频器应用，工作频率范围为数百千赫兹。
下表给出了 BJT、MOSFET 和 IGBT 之间的一般比较。
IGBT对比表
| 设备特性 | BJT | MOSFET | IGBT |
| 额定电压 | 高<1kV | 高<1kV | 极高 >1kV |
| 额定电流 | 高<500A | 低 <200A | 高>500A |
| 输入驱动 | 电流，hFE 20-200 |
电压，VGS 3-10伏 |
电压，VGE 4-8伏 |
| 输入阻抗 | 低 | 高 | 高 |
| 输出阻抗 | 低 | 中等 | 低 |
| 开关速度 | 慢速 （uS） | 快速 （nS） | 中等 |
| 成本 | 低 | 中等 | 高 |
IGBT用途和特性
我们已经看到，绝缘栅双极晶体管是一种半导体开关器件，具有双极结型晶体管 BJT 的输出特性，但像金属氧化物场效应晶体管 MOSFET 一样进行控制。
IGBT 晶体管的主要优点之一是它可以通过施加正栅极电压来驱动“ON”，或者通过使栅极信号为零或略负来切换“OFF”，从而使其可用于各种开关应用。它还可以在其线性有源区域驱动，用于功率放大器。
绝缘栅双极晶体管具有较低的导通电阻和导通损耗，以及能够在高频下切换高电压而不会损坏，因此非常适合驱动线圈绕组、电磁铁和直流电机等感性负载。
主要特征：
- 混合设计： IGBT 融合了 MOSFET（高输入阻抗、快速开关）和双极晶体管（高电流容量）的优点。
- 四层结构： 它们由交替的 P 型和 N 型半导体材料 （NPNP） 层组成，由类似 MOSFET 的栅极结构控制。
- 电压控制装置： 与 MOSFET 一样，IGBT 是电压控制的，这意味着栅极电压决定了集电极和发射极之间的电流。
- 高开关速度： IGBT 能够在高频下打开和关闭，这对于变频器等应用至关重要。
应用：
IGBT结合了场效应管栅极易驱动的特性与双极性晶体管耐高电流与低导通电压压降特性，IGBT通常用于中高容量功率场合，如切换式电源供应器、马达控制与电磁炉。大型的IGBT模组应用于数百安培与六千伏特的电力系统领域，其模组内部包含数个单一IGBT器件与保护电路。
IGBT为近数十年发明产物，第一代IGBT产品于1980年代与1990年初期，但其切换速度不快且开关截止时易产生闩锁与二次崩溃现象，第二代IGBT产品便有很大的进展，第三代IGBT产品为目前主流，其切换速度直逼功率级MOSFET的速度并且在电压电流容量上有很大的进步。
- 变频驱动器 （VFD）： 用于控制各种应用中电动机的速度，包括电动汽车和工业设备。
- 电源： 用于开关电源，高效转换电能。
- 电机控制： 用于各种电机控制应用，包括电动汽车和家用电器中的应用。
- 其他应用： 也可用于不间断电源 （UPS）、感应加热和其他电力电子应用。
动车组或电动车辆之马达驱动器、变频冷气、变频冰箱，甚至是大瓦特输出音响放大器的音源驱动器件。IGBT特点在于可以大功率场合可以快速做切换动作，因此通常应用方面都配合脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）与低通滤波器（Low-pass Filters）。
由于半导体器件技术的精进，半导体源料品质的提升，IGBT单价价格越来越便宜，其应用范围更贴近家用产品范围，不再只是高功率级的电力系统应用范畴，如电动车辆与混合动力车的马达驱动器便是使用IGBT器件。
从本质上讲，IGBT 是一种多功能功率半导体器件，能够在各种现代电子系统中高效控制电力。