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(dǎo)體器件，由雙極結(jié)型晶體管組成（BJT）和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)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(guān)頻率高、傳導(dǎo)電流大傳導(dǎo)損耗小等特點。IGBT可以理解為“非通即斷” 開關(guān)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(xué) B.通過結(jié)合雙極結(jié)型晶體管，JayantBaliga教授（BJT）技術(shù)和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOS‐FET）IGBT開發(fā)的 技術(shù)。然而，由于結(jié)構(gòu)和技術(shù)的限制，這項技術(shù)直到1986年才真正應(yīng)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(gòu)設(shè)計方面、工藝技術(shù)、技術(shù)性能等維度進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)模塊和智能功率模塊。此外，IGBT是目前大功率開關(guān)器件中最成熟應(yīng)用最廣泛的功率器件，具有MOSFET 高輸入阻抗和GTR低導(dǎo)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(shè)備廣泛應(yīng)用于電氣領(lǐng)域。新能源汽車的未來、光伏/風(fēng)電逆變器、以5G通信、以UHV和充電樁為代表的新基礎(chǔ)設(shè)施將成為IGBT最大的驅(qū)動力，有望不斷擴(kuò)大IGBT的市場應(yīng)用范圍。

IGBT是由數(shù)百萬個細(xì)胞組成的重復(fù)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(gòu)（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(guān)態(tài)功耗越大一般采用條形集電極結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(shè)備在工廠或使用中檢驗合格的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

發(fā)射極：發(fā)射器實際上充當(dāng)放大電路來放大信號。

柵極：電網(wǎng)是弱電和強(qiáng)電的電路接口，需要一定的高壓隔離功能此外，電網(wǎng)還應(yīng)具有欠壓保護(hù)、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?dāng)鄷r間短、關(guān)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(qiáng)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(dāng)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(dǎo)率因此，IGBT具有很強(qiáng)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(guān)是通過柵極 實現(xiàn)的- 發(fā)射極電壓。其中，當(dāng)在門 中時-當(dāng)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(dǎo)通。同時，在 中，從 P 到 N注入的空穴對N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)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(dāng)在柵-當(dāng)發(fā)射極之間施加負(fù)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(guān)斷。IGBT的工作狀態(tài)主要包括傳導(dǎo)、導(dǎo)通壓降、關(guān)斷、反向阻斷、正向阻斷、閂鎖。

IGBT

關(guān)斷與導(dǎo)通：IGBT管和MOSFET一樣，也是一種壓控器件，通過柵極來控制開關(guān)-發(fā)射極電壓。當(dāng)在柵-當(dāng)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(dǎo)通現(xiàn)象同時，從P區(qū)注入V區(qū)的空穴會進(jìn)行電導(dǎo)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(dāng)在柵-當(dāng)在發(fā)射極之間施加負(fù)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(guān)斷現(xiàn)象。

傳導(dǎo)電壓降：所謂開態(tài)壓降是指IGBT進(jìn)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(kuò)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(dǎo)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(guān)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(guān)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(guān)斷狀態(tài)下，直流電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。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(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏，從而限制了IGBT 的一些應(yīng)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(guān)系曲線。當(dāng)柵極源極電壓小于導(dǎo)通電壓Ugs時，它具有與MOSFET相同的傳輸特性(th)在 ，IGBT處于關(guān)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(guān)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(guān)特性指漏極電流和漏極源極電壓之間的關(guān)系。當(dāng)IGBT 處于導(dǎo)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(dá)林頓結(jié)構(gòu)，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(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，IGBT 的通態(tài)壓降較小，耐壓1000V的IGBT 的通態(tài)壓降為2 ~ 3V 。當(dāng)IGBT 關(guān)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(yīng)用中， ton 的漏極電流導(dǎo)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(guān)斷需要在其柵極和基極之間施加直流電壓和負(fù)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(guān)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(shù)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(guān)斷偏置應(yīng)該高于許多MOSFET驅(qū)動電路提供的關(guān)斷偏置。

在IGBT關(guān)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(guān)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(guān)斷延遲時間，trv是電壓Uds(f)的上升時間。在實際應(yīng)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(guān)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(shù)：集電區(qū)層（下層）結(jié)構(gòu)新概念———透明集電極技術(shù)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(dá)到70%以上。當(dāng)IGBT關(guān)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(guān)斷。所以不需要生命控制技術(shù)。這樣不僅開關(guān)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(guān)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(dǎo)調(diào)制MOSFETㄢ

電場中止技術(shù)：n-耐壓層（中層）結(jié)構(gòu)新概念———電場中止（Field   stops, FS）技術(shù)，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(qiáng)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(dǎo)通電阻和關(guān)斷損耗，后者是因為導(dǎo)通狀態(tài)下存儲的載流子總量減少。

溝槽柵技術(shù)：該技術(shù)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(dāng)?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(gòu)。

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(guān)速度設(shè)計不當(dāng)將導(dǎo)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(shù)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(shù)：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(dǎo)調(diào)制越弱，電阻越大。提高近表層載流子濃度的技術(shù)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(dǎo)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(shù)。在IGBT，MOS FET和pnp管是達(dá)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(gòu)。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(shù)。一種技術(shù)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(dǎo)調(diào)制并降低了Ron中的RPINㄢ

閂鎖效應(yīng)

閉鎖效應(yīng)Latching effect，也稱鎖定效應(yīng)，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(dāng)閂鎖發(fā)生時，IGBT與連續(xù)電流導(dǎo)通狀態(tài)相關(guān)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(guān)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(guān)閉電壓才能停止閂鎖。在DC或交流應(yīng)用中，設(shè)備產(chǎn)生的熱量可能會很大，導(dǎo)致其燃燒。

IGBT有兩種鎖存模式，即靜態(tài)和動態(tài)。

當(dāng)電流密度超過臨界值時，就會發(fā)生靜態(tài)閂鎖效應(yīng)，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(dāng)集電極電流和集電極電壓都很高時，開關(guān)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(guān)斷期間，快速消失的內(nèi)部MOSFET動作將導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(qiáng)制關(guān)斷柵極的電路中，通常使用IGBT來確保動態(tài)閂鎖電流遠(yuǎn)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(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如果滿足這個標(biāo)準(zhǔn)，將保證該設(shè)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(guān)斷過程，大部分注入的空穴將在漂移區(qū)復(fù)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(jìn)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(dāng)前的變化率。通常，這種短路中的電感是不確定的。

當(dāng)發(fā)生某種短路時，IGBT 的電流將迅速上升，當(dāng)電流上升到額定電流的4倍時，IGBT將進(jìn)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(guān)閉驅(qū)動波形，否則會損壞IGBT。

閂鎖效應(yīng)和短路故障的解決方案通常通過以下技術(shù)來避免IGBT產(chǎn)生閉鎖效應(yīng)：減小體積膨脹電阻 Rs ，避免閂鎖效應(yīng)、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(hù)方法當(dāng)IGBT去飽和時，驅(qū)動電路可以立即檢測到去飽和并及時關(guān)閉IGBT的驅(qū)動波形，從而有效地保護(hù)了IGBT的可靠運行。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(lǐng)域。

工業(yè)控制領(lǐng)域：工業(yè)控制領(lǐng)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(jī)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(fù)，IGBT模塊將發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。

IGBT

變頻家電領(lǐng)域：在變頻家電領(lǐng)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(lǐng)域的關(guān)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(hù)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(jī)、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(lǐng)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(jī)車和高速動車組的核心部件。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，電力機(jī)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(lǐng)域：在智能電網(wǎng)領(lǐng)域，IGBT每年的市場需求可達(dá)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(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是電動汽車和充電樁的核心技術(shù)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(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要IGBT。

應(yīng)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(dǎo)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(lǐng)先地位。從2012年到2019年，中國IGBT的年復(fù)合增長率為14.52%根據(jù)預(yù)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(dá)到522億人民幣，2018年至2025年的復(fù)合增長率為195.96%。