IGBT(絕緣柵雙極型晶體管) 是一種結(jié)合了MOSFET高輸入阻抗與雙極晶體管(BJT)低導(dǎo)通損耗特性的復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件,專為高電壓?大電流場景設(shè)計(jì),是電力電子領(lǐng)域的核心開關(guān)元件?
結(jié)構(gòu)與組成
IGBT由三端四層結(jié)構(gòu)構(gòu)成:
- 柵極(Gate):與MOSFET類似,通過絕緣層(如二氧化硅)控制器件導(dǎo)通?
- 集電極(Collector):連接高電壓端,注入載流子?
- 發(fā)射極(Emitter):載流子輸出端,與外部電路形成電流回路?
其內(nèi)部采用“MOS柵極+雙極晶體管”的復(fù)合結(jié)構(gòu):
MOS柵結(jié)構(gòu):控制輸入信號,驅(qū)動(dòng)功率低?
PNP雙極結(jié)構(gòu):承擔(dān)主電流通路,降低導(dǎo)通壓降?
工作原理
IGBT通過柵極電壓調(diào)控導(dǎo)通與關(guān)斷:
導(dǎo)通階段:
柵極施加正向電壓,形成MOS導(dǎo)電溝道,電子從發(fā)射極流向集電極?
PNP雙極結(jié)構(gòu)被激活,空穴從集電極注入,引發(fā)“電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)”,顯著降低導(dǎo)通電阻?
關(guān)斷階段:
柵極電壓歸零,MOS溝道消失,雙極結(jié)構(gòu)載流子復(fù)合,電流逐漸切斷?
類型與特性
- 按電壓等級分類:
低壓型(<1200V):家電變頻器?UPS電源?
中高壓型(1200V6500V):電動(dòng)汽車?工業(yè)變頻器?光伏逆變器?
超高壓型(>6500V):高鐵牽引系統(tǒng)?智能電網(wǎng)?
- 按封裝形式:
單管封裝:中小功率場景?
模塊化封裝:集成續(xù)流二極管,適合大功率系統(tǒng)(如風(fēng)力發(fā)電)?
核心優(yōu)勢
高壓耐受:支持?jǐn)?shù)千伏級電壓,遠(yuǎn)超普通MOSFET?
低導(dǎo)通損耗:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減少發(fā)熱,效率可達(dá)95%以上?
開關(guān)速度適中:比BJT更快,比MOSFET略慢,平衡速度與損耗?
驅(qū)動(dòng)簡單:柵極電壓控制,無需復(fù)雜驅(qū)動(dòng)電路?
典型應(yīng)用
電能轉(zhuǎn)換:
電動(dòng)汽車電機(jī)控制器(DCAC逆變)?
太陽能逆變器(DCAC轉(zhuǎn)換)?
工業(yè)控制:
變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?
焊接設(shè)備?感應(yīng)加熱電源?
電力傳輸:
高壓直流輸電(HVDC)的換流閥?
軌道交通牽引變流系統(tǒng)?
IGBT通過融合MOSFET與BJT的優(yōu)勢,解決了高功率場景下效率與耐壓的矛盾,成為新能源?智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的“電子心臟”,推動(dòng)電力電子技術(shù)向更高能效邁進(jìn)?
