IGBT基础知识

一.IGBT简介
-1.1.IGBT的发展历史
-1.2.IGBT的应用领域
-1.3.IGBT的关键技术指标
二.IGBT的工作原理
-2.1.IGBT器件结构
-2.2.IGBT器件原理
-2.3.IGBT通态压降
三.IGBT的分类
-3.1.按纵向结构分类
-3.2.按栅极结构分类
-3.3.按封装分类
四.IGBT的选型
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# IGBT基础知识

## 一.IGBT简介<a name="IGBT简介"></a>

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），中文全称为绝缘栅双极型晶体管，是一种由金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）复合而成的全控型电压驱动式功率半导体器件。作为电力电子装置的核心“开关”，IGBT结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率和BJT的低导通压降、大电流密度等优点，克服了传统功率器件在高压大电流应用中的诸多缺陷，能够高效地控制电能的转换与传输。

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图1-1 IGBT模块

### 1.1.IGBT的发展历史<a name="IGBT的发展历史"></a>

20世纪70年代末，随着电力电子技术的发展，传统的功率器件已难以满足高压、大电流、高频率的应用需求。1979年，美国北卡罗来纳州立大学的B. Jayant Baliga教授提出了一种新型的MOS栅功率开关器件，这被视为IGBT的先驱。该构想旨在解决当时主流器件的两大痛点：一种是双极型晶体管（BJT），其开关速度慢、驱动电路复杂且易产生闩锁效应；另一种是功率MOSFET，其导通电阻大，在高压大电流下效率极低。

20世纪80年代初，随着半导体工艺技术的进步，特别是双扩散金属氧化物半导体（DMOS）工艺的引入，IGBT器件的制造成为可能。1983年，日本三菱电机成功制造出首个IGBT原型。1986年，德国英飞凌半导体（前身为西门子半导体部门）率先实现了IGBT的商业化量产，标志着IGBT正式进入工业应用阶段。

进入21世纪，IGBT技术经历了多代迭代，主要围绕降低导通损耗、开关损耗和提高工作结温展开。第一代采用平面穿通型（PT）结构，虽成本高但奠定了基础；第二代引入非穿通型（NPT）结构，显著降低了导通压降；第三代结合了沟槽栅（Trench）和场截止（FS）技术，消除了JFET效应，进一步提高了性能。目前应用最广泛的是第四代技术，而最新的第七代IGBT技术在导通压降和开关速度上实现了新的突破，工作结温已提升至150℃甚至175℃。

### 1.2.IGBT的应用领域<a name="IGBT的应用领域"></a>

IGBT的应用领域包括新能源汽车、电网、光伏、轨道交通、工业变频器等：

- 新能源汽车：在新能源汽车中，IGBT是电机控制器的核心器件。在主驱逆变器中，IGBT负责将动力电池的直流电逆变为交流电驱动电机，其效率直接影响车辆的续航里程。在车载充电机（OBC）中，IGBT负责将交流电转换为直流电给电池充电。在车载DCDC中，IGBT负责进行电池电压的转换（升压或降压）。

- 智能电网：在智能电网领域，IGBT用于柔性交流输电系统（FACTS），实现快速的无功功率调节和电压控制，提高电网的稳定性和输电效率。

- 光伏：在光伏应用中，IGBT用于光伏逆变器，将光伏板产生的直流电转换为符合电网标准的交流电。IGBT的低损耗特性有助于提高光伏电站的发电效率，降低能源损耗。

- 轨道交通：在轨道交通领域，IGBT是高铁和地铁牵引变流器的核心。它将电网的交流电转换为可变频调压的交流电，驱动牵引电机，实现列车的高速运行和能量回馈。

- 工业变频器：在工业领域，IGBT广泛应用于工业变频器，用于控制三相异步电机的转速，实现节能调速，广泛应用于风机、水泵、压缩机等设备。

### 1.3.IGBT的关键技术指标<a name="IGBT的关键技术指标"></a>

IGBT的关键技术指标有通态压降与开关损耗、安全工作区等。

- 通态压降与开关损耗：IGBT设计中面临着一个核心的性能折衷：通态压降与开关损耗往往呈负相关。为了降低开关损耗，通常需要提高漂移区的掺杂浓度以缩短少子寿命，从而减小拖尾电流，但这会导致导通压降升高；反之，为了降低导通压降，需要增加空穴注入，这又会导致关断时存储的少子增加，延长关断时间，增加开关损耗。因此，在设计IGBT时，需根据具体的应用场景（如高频或低频）来优化这一折中关系。

- 安全工作区：安全工作区（SOA）定义了IGBT在不被损坏的前提下允许的电压和电流范围。主要包括正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。在器件导通状态下，集电极电流过大可能导致芯片过热烧毁；在器件关断状态下，集电极电压过高可能导致绝缘击穿。此外，IGBT内部存在寄生晶闸管结构，当集射极间电压过高或电流变化率过大时，可能引发“擎住效应”，导致器件不可控导通甚至损坏。

## 二.IGBT的工作原理<a name="IGBT的工作原理"></a>

### 2.1.IGBT器件结构<a name="IGBT器件结构"></a>

IGBT（PT结构IGBT）器件结构如下图所示，IGBT器件结构及电极名称实际就是MOSFET和BJT的组合，把MOSFET源极引出端子叫发射极（E），漏极引出端叫集电极（C）,栅极引出端仍然叫栅极（G）。

![](images4compo/2026-08-26-17-06-53-image.png)

图2-1 IGBT器件结构

### 2.2.IGBT器件原理<a name="IGBT器件原理"></a>

当IGBT器件栅极电压为零或小于阈值电压（VG=0 或 VG < Vth）时，栅极下P-无法反向，未形成导电沟道，在C、E间加负（正）偏压，器件的J2（J1）结反偏，电流被阻断，只有很小的电流流过，IGBT器件具有反（正）向阻断能力。

与MOSFET不同点：IGBT无续流体二极管，因此在感性负载应用中通常与FRD器件并联使用。

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图2-2 IGBT器件开关原理示意图

当栅极电压大于阈值电压（VG>Vth）时，MOS沟道反向导通，在C、E间加正偏压，电子由N+源区流经沟道并垂直地流入N-外延区，由于电子的流入，降低了N-区的电位，使J2结（发射结）正偏，J1结反偏，这时由P+体区、N-漂移区、P+衬底组成的PNP晶体管结构正向导通，使IGBT器件进入正向导通状态。

IGBT器件开关原理：实际上就是通过MOSFET控制BJT的开通与关断的过程。

### 2.3.IGBT通态压降<a name="IGBT通态压降"></a>

为什么IGBT高压时仍有较低的通态电压降？IGBT在正向导通状态时，J2结正偏，P+衬底向N-漂移区注入空穴，少子（空穴）的注入使N-区的载流子浓度得到显著提高，产生电导调制效应，降低了N-漂移区的电阻率。克服了高压功率MOS器件导通电阻高的弱点，所以IGBT也称为电导调制场效应晶体管。

## 三.IGBT的分类<a name="IGBT的分类"></a>

根据不同的分类方法，IGBT有多种不同的分类。

### 3.1.按纵向结构分类<a name="按纵向结构分类"></a>

根据纵向结构的不同，IGBT主要分为穿通型（PT-IGBT）、非穿通型（NPT-IGBT）和场截止型（FS-IGBT）。穿通型IGBT漂移区较薄，关断损耗低，但导通压降低，易产生闩锁。非穿通型IGBT漂移区较厚，导通压降低，温度特性好，不易闩锁。场截止型IGBT结合了前两者的优点，通过N+缓冲层在关断时迅速截止电场，使漂移区可以做得更薄，从而在低导通压降和低开关损耗之间取得平衡。

### 3.2.按栅极结构分类<a name="按栅极结构分类"></a>

按栅极结构分类，主要有平面栅（Planar IGBT）和沟槽栅（Trench IGBT）。平面栅结构简单，适用于中低压、低开关频率的应用。沟槽栅通过光刻刻蚀出垂直沟槽形成栅极，优点是沟道密度高，导通电阻低，开关速度快，是目前高压大功率IGBT的主流结构。

### 3.3.按封装分类<a name="按封装分类"></a>

IGBT产品通常分为IGBT单管、IGBT模块和智能功率模块（IPM）。IGBT单管适用于小功率应用，如家电、电源适配器等。IGBT模块将多个IGBT芯片和续流二极管封装在一起，功率更大，散热能力更强，广泛用于工业和新能源领域。智能功率模块（IPM）则是在IGBT模块基础上集成了驱动电路、保护电路和检测电路，使用更方便，主要用于变频空调和伺服电机控制。

## 四.IGBT的选型<a name="IGBT的选型"></a>

在实际工作中选型IGBT的时候，通常按照以下步骤：

1. 根据电路中IGBT的用途选择IGBT种类，比如IGBT单管、IGBT模块或者智能功率模块IPM等。

2. 根据电路原理计算所需要IGBT的安全工作区，从而选择IGBT的电压等级与电流等级，选择IGBT的额定电压与额定电流时均需要预留一定的裕量。

3. 根据电路原理计算所需要IGBT的开关频率（开关特性）。

4. 根据电路原理计算所需要IGBT的通态压降（导通压降）。

5. 对于大功率IGBT，还需要重点评估计算所需要IGBT的耗散功率与散热方案。