IGBT的等效电路

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT的等效电路

IGBT的近似等效电路由 MOS 管和 PNP 晶体管（Q1 ）组成，考虑到 n- 漂移区提供的电阻，电阻 Rd已包含在电路中，如下图所示：

IGBT 的近似等效电路

仔细检查 IGBT 的基本结构，可以得出这个等效电路，基本结构如下图所示。

等效电路图的基本结构

1、穿通 IGBT、PT-IGBT： 穿通 IGBT、PT-IGBT 在发射极接触处具有 N+ 区。

观察上面显示 IGBT 的基本结构，可以看到到从集电极到发射极存在另一条路径，这条路径是集电极、p+、n- 、 p（n 通道）、n+ 和发射极。

因此，在 IGBT 结构中存在另一个晶体管 Q2作为 n – pn+，因此，我们需要在近似等效电路中加入这个晶体管 Q2以获得精确的等效电路。

IGBT 的确切等效电路如下所示：

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IGBT的精确等效电路图

该电路中的Rby是 p 区对空穴电流的流动提供的电阻。

众所周知，IGBT是 MOS 管的输入和 BJT 的输出的组合，它具有与N沟道MOS管和达林顿配置的PNP BJT等效的结构，因此也可以加入漂移区的电阻。

IGBT的等效电路大全

图4 是N型IGBT的等效电路。等效NPN管是MOSFET形成时寄生的；等效JFET主要是由漂移区形成的；等效电阻RB主要由基区等效电阻构成，也包括漂移区、缓冲区（NPT型除外）、源区的等效电阻；等效PNP管才是导电通道的主角。

图4 IGBT的等效电路

在正常情况下，JFET相当于串联在MOSFET漏极与PNP管基极之间的电阻RD，简化电路如图5（a）所示，这是目前比较常见的等效电路。这时候寄生的NPN管与PNP管相当于一个SCR，故IGBT的等效电路可进一步简化为图5 （b），这正是IGBT 电流密度比BJT大的内在原因。

图5 简化后的IGBT等效电路（1）

正常情况下，寄生的NPN管并不起作用，故 IGBT 等效电路又可简化为图6。这时候的IGBT 就是一个VMOS+PNP型的BJT，相当于一个VMOS输入级的NPN达林顿管，而输出级是一个BJT，故IGBT容易驱动且输出特性与BJT类似。由于达林顿管的极性最终由输入级决定、与输出级无关，而输入级的MOSFET是N沟道的，形成的达林顿也是NPN型的，因此等效 PNP管的集电极是IGBT的发射极，而等效 PNP管的发射极是IGBT的集电极。

图6 简化后的IGBT微观等效电路（2）

对于BJT而言，早期大功率PNP管的性能往往不如NPN管，所以常常用一个PNP的小功率管与一个大功率的NPN管组成一个大功率的PNP达林顿管，很好地解决了大功率NPN管与PNP管性能不对等的问题。但是，双极性达林顿管的速度远低于BJT，所以即使是同等 电 流规格，达林顿管也不能与IGBT相媲美。

如果将IGBT看成一个P-N-P-N 4 层结构的器件，也可以将IGBT看作图1. 17所示更为简化的等效电路。这个等效电路可以解释IGBT的饱和压降为什么至少为一个二极管的压降；也能够说明，在低 电压领域，VMOS的自身功耗更小。

图7 简化后的IGBT 等效电路（3）