絕緣閘雙極電晶體（IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種三端功率半導體元件，主要用作電子開關，在較新的元件中以結合高效率和快速開關而聞名。IGBT 透過在單個元件中組合用於控制輸入的隔離閘極 FET 和作為開關的雙極功率電晶體，將 MOSFET 的簡單閘極驅動特性與雙極電晶體的高電流和低飽和電壓能力相結合。IGBT 用於中到大功率應用，如開關電源、牽引馬達控制和感應加熱。
1. IGBT 特點
IGBT 具有閘極、集電極、發射極3個接腳。閘極與 MOSFET 相同，集電極和發射極與雙極電晶體相同。IGBT 與 MOSFET 一樣透過電壓控制埠，在 N 溝道型的情況下，對於發射極而言，在閘極施加正電壓時，集電極-發射極導通，流過集電極電流。我們將另行介紹其工作和驅動方法。
IGBT 是結合了 MOSFET 和雙極電晶體優點的電晶體。MOSFET 由於閘極是隔離的，因此具有輸入阻抗高、開關速度較快的優點，但缺點是在高電壓時導通電阻較高。雙極電晶體即使在高電壓條件下導通電阻也很低，但存在輸入阻抗低和開關速度慢的缺點。透過彌補這兩種元件各自的缺點，IGBT成為一種具有高輸入阻抗、開關速度快（IGBT 開關速度比 MOSFET 慢，但仍比雙極電晶體快），即使在高電壓條件下也能實現低導通電阻的電晶體。
2. IGBT 的工作原理
當向發射極施加正的集電極電壓 VCE，同時向發射極施加正的閘極電壓 VGE 時，IGBT 便能導通，集電極和發射極導通，集電極電流 IC 流過。
IGBT 的等效電路如上圖所示。當閘極-發射極（G-E）和集電極-發射極（C-E）通路均發生正偏置時，N 溝道 MOSFET 導通，導致漏極電流流動。該漏極電流也流向 QPNP 基極並導致 IGBT 導通。由於 QPNP 的直流電流增益（α）非常小，因此幾乎整個發射極電流（IE(pnp)）都做為基極電流（IB(pnp)）流動。但部分 IE(pnp)會作為集電極電流（IC(pnp)）流動。IC(pnp) 無法開啟 QNPN，因為它繞過了 QNPN 基極和發射極之間插入的 RBE。
因此，IGBT 的幾乎所有集電極電流都透過 QPNP 的發射極-基極通路作為 N 溝道 MOSFET 的漏極電流流動。此時，空穴從 QPNP 的發射極注入到 N 通道 MOSFET 的高電阻漂移層。這導致漂移層的電阻率（Rd(MOS））大幅降低，進而降低了導通期間的導通電阻，這種現象稱為電導率調製。
關閉閘極（G）訊號會導致 N 溝道 MOSFET 關斷，進而導致 IGBT 關斷。
3. 安全工作區
在IGBT的規格書中，可能會看到安全工作區（SOA, Safe Operating Area），例如 ROHM 的 RGS30TSX2DHR 如下圖所示。 這個安全工作區是指什麼？
IGBT 的安全工作區（SOA）是使IGBT在不發生自損壞，或性能沒有下降的情況下的工作電流和電壓條件。實際上，不僅需要在安全工作區內使用 IGBT，還需對其所在區域實施溫度降額。安全工作區分為正向偏置安全工作區（FBSOA, Forward Bias Safe Operating Area）和反向偏置安全工作區（RBSOA, Reverse Bias Safe Operating Area）。
3.1 正向偏置安全工作區
正向偏置安全工作區定義了IGBT導通期間的可用電流和電壓條件。
上圖是 RGS30TSX2DHR 的正向偏置安全工作區，可以根據具體情況分為4個領域，如下所述：
- 受集電極最大額定電流限制的區域
- 受集電極耗散限制的區域
- 受二次擊穿限制的區域（該區域會因元件設計而有所不同）
- 受集電極-發射極最大額定電壓限制的區域
3.2 反向偏置安全工作區
反向偏置安全工作區定義了IGBT關斷期間的可用電流和電壓條件。
上圖是 RGS30TSX2DHR 的反向偏置 SOA 可以簡單分為 2 個有限區域，如下所述：
- 受集電極最大額定電流值限制的區域
- 受集電極-發射極最大額定電壓限制的區域。
請注意，當設計的 VCE－IC 工作軌跡偏離產品本身安全工作區時，產品可能會發生出現意外故障。因此，在設計電路時，在確定與擊穿容限相關的具體特性和電路常數時，必須密切注意耗散和其他性能問題。例如，反向偏置安全工作區具有溫度特性（在高溫下劣化），VCE－IC 的工作軌跡根據閘極電阻 Rg 和閘極電壓 VGE 而變化。
因此，有必要在瞭解工作環境和關斷時的最小閘極電阻值後，才進行 Rg 和 VGE 設計。
4. 不同類型 IGBT 產品
市場上有不同類型的 IGBT 產品，我們可以根據實際應用情況、安裝類型（例如通孔、面板安裝或表面黏著安裝）來挑選。
將 MOSFET 的簡單閘極驅動特性與雙極電晶體的高電流和低飽和電壓能力相結合。
由 IGBT 與二極體透過特定的電路橋接封裝而成的模組化半導體產品。封裝後的 IGBT 模組可以直接應用於變頻器、UPS 不斷電供應系統等設備上。IGBT 模組具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點。
總結：
IGBT 是一種功率半導體元件，用於電子開關、控制和改變電流的大小頻率，是電能轉換及應用的核心晶片。由於篇幅有限，IGBT 涉及的技術內容、應用領域很廣，所以歡迎大家在文末交流分享，一起討論學習。
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