IGBT是“Insulated Gate Bipolar Transistor”的首字母缩写，中文名称是“绝缘栅双极晶体管”。通过结合MOSFET和双极晶体管，IGBT成为同时具备这两种器件优点的功率晶体管。IGBT有N沟道型和P沟道型两种，本文中以目前主流的N沟道型为例展开介绍。
N沟道IGBT的电路图符号及其等效电路如下。有些等效电路图会更详细一些，但这里为了便于理解，给出的是相对简单的示意图。包括结构在内，实际的产品会更复杂一些。有关结构等的详细内容将在后续文章中介绍。
IGBT具有栅极、集电极、发射极3个引脚。栅极与MOSFET相同，集电极和发射极与双极晶体管相同。IGBT与MOSFET一样通过电压控制端口，在N沟道型的情况下，对于发射极而言，在栅极施加正电压时，集电极-发射极导通，流过集电极电流。我们将另行介绍其工作和驱动方法。
前面已经介绍过，IGBT是结合了MOSFET和双极晶体管优点的晶体管。MOSFET由于栅极是隔离的，因此具有输入阻抗高、开关速度较快的优点，但缺点是在高电压时导通电阻较高。双极晶体管即使在高电压条件下导通电阻也很低，但存在输入阻抗低和开关速度慢的缺点。通过弥补这两种器件各自的缺点，IGBT成为一种具有高输入阻抗、高开关速度*（开关速度比MOSFET慢，但比双极晶体管快），即使在高电压条件下也能实现低导通电阻的晶体管。
IGBT和MOSFET等功率器件根据应用产品的使用条件和需求，物善其用，在与其相适合的应用中被区分使用，比如在高电压应用中使用IGBT，在低电压应用中则使用MOSFET。IGBT的适用范围和应用领域将在后续文章中进行介绍。
IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET和双极晶体管等功率元器件应根据其特点物善其用。此外，功率元器件除了以元器件单品（分立半导体）的形式使用外，将元器件与其他基本部件组合在一起的模块形式也被广泛使用。
下面是从输出容量和工作（开关）频率的角度出发列出的IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET和双极晶体管的适用范围。另外，还对分立产品和模块进行了分类。
从输出容量和工作频率的角度看各种功率元器件的适用范围（示意图）
IGBT分立产品覆盖1kHz～50、60kHz的频率范围、稍高于1kVA的输出容量范围IGBT模块的话，根据与其他部件的组合等情况，工作频率上限程度相同，但输出容量范围可高达100MVA以上。随着输出容量的增加，工作频率会因为开关损耗等的限制而降低。
通过这张图，应该可以对每种功率元器件的特点和适用范围有一个整体印象了。
下图从输出容量和工作频率的角度，列出了IGBT分立产品和模块以及Si MOSFET分立产品的适用范围，以及在适用范围内的适用应用产品示例。应用范围和上一篇文章中给出的范围是一样的，下图中列出了相应范围内的具体应用产品。
从图中可以看出，有些应用产品在重叠范围中，但在处理高电压大电流的电车和HEV/EV领域，主流产品还是IGBT模块。分立式IGBT和Si MOSFET在家电和小型工业设备等应用中的需求很大，主要根据工作频率方面的优点来区分使用。
从输出容量和工作频率的角度看各种功率元器件适用范围和应用产品（示意图）
正如在 “什么是 IGBT “一文中所解释的，IGBT 是一种功率晶体管，它将 MOSFET 和双极晶体管的最佳特性结合在一起。 我们将以目前主流的 N 沟道 IGBT 的基本结构为例进行说明。 此后，仅提及 IGBT 时，基本上都是指 N 沟道类型。
为了便于理解IGBT半导体的结构，我们首先来回顾一下电路图符号、简单的等效电路以及IGBT的基本工作。
IGBT有栅极、集电极、发射极三个引脚，可以认为，栅极与MOSFET的栅极相同，集电极和发射极与双极晶体管相同。在N沟道IGBT的情况下，IGBT与MOSFET一样，通过电压控制元件相对于发射极在栅极施加正栅极电压VGE时，集电极-发射极之间导通，流过集电极电流IC。
下面是表示IGBT半导体结构的示意图（截面图）和等效电路图。为便于理解而进行了简化。蓝色箭头表示集电极电流IC的流动情况。我们与旁边的等效电路图比较来看。
如图所示，在Nch MOSFET的漏极侧形成了P+集电极层，从集电极到发射极是P型-N型-P型-N型排列的结构。
等效电路图中的Nch MOSFET的漏极和PNP晶体管的基极都相当于IGBT的N-漂移层。栅极是绝缘膜上的薄膜布线，Nch MOSFET的栅极=IGBT的栅极。IGBT的发射极为N+层，与Nch MOSFET的源极相对应。PNP晶体管的集电极为P+，与IGBT的发射极N+层相连接。PNP晶体管的发射极是P+层，相当于IGBT的集电极。
虽然这些有关IGBT的内容听起来有些复杂，但是如果将IGBT的结构用示意图体现出来，就很容易理解IGBT的等效电路图了。
下面用下列等效电路和截面结构图来说明IGBT的工作原理。
表示IGBT工作原理的等效电路和截面结构示意图
当向发射极施加正的集电极电压VCE，同样向发射极施加正的栅极电压VGE时，IGBT导通，集电极和发射极之间导通，流过集电极电流IC。
将这个动作对应于等效电路时，即当施加正VGE时，Nch MOSFET导通，这会使基极电流IB流过PNP晶体管，最终，PNP晶体管导通，从而使IC从IGBT的集电极流向发射极。
截面结构图中显示了内部电子和空穴（电洞）的运动情况。当向栅极施加正VGE时，电子⊖聚集在栅极电极正下方的P+层中并形成沟道。这与MOSFET导通的原理基本相同。因此，从IGBT的发射极供给的电子沿N+层⇒沟道⇒ N-漂移层 ⇒ P+集电极层的方向移动。而空穴（电洞）⊕则由P+集电极层提供给N-漂移层。该层之所以被称为“漂移层”，是因为电子和空穴两者的载流子都会移动。也就是说，电子从IGBT发射极向IGBT集电极的移动意味着电流（IC）从IGBT集电极流向IGBT发射极。
在需要功率晶体管的应用中，需要了解每种功率晶体管，例如IGBT、MOSFET、双极晶体管的优缺点并区分使用。现将每种功率晶体管的特点总结如下。
| MOSFET（Nch） | 双极晶体管（NPN） | IGBT | |
|---|---|---|---|
| 基本结构 |  |
 |
 |
| 控制 | 栅极电压 | 基极电流 | 栅极电压 |
| 容许电流 | △ | ○ | ◎ |
| 开关速度 | ◎ | △ | ○ |
| 导通电阻 | △ | ○ | ◎ |
●MOSFET
MOSFET是由电压驱动的，输入阻抗较高，因此控制时消耗的功耗较少。另外，由于是电子或空穴一种载流子的单极晶体管，所以具有开关速度快的优点。但是，与双极晶体管不同的是，不能利用电导调制效应（Webster效应），因此存在导通电阻随耐压增加而增加的缺点。
●双极晶体管
双极晶体管具有高耐压且导通电阻*低的优点。双极晶体管具有可利用电导调制效应抑制压降的特点。电导调制效应是在晶体管工作过程中空穴和电子一起移动，空穴注入到N-层，从而使其电阻减小。此外，由于双极晶体管会进行电流放大工作，因此允许流过比所施加电流更大的电流。缺点是输入阻抗低，控制时所消耗的功耗大，而且由于使用的是两种极性的载流子，所以开关速度较慢。
*参数为“饱和电压”。
●IGBT
IGBT是输入部分为MOSFET结构、输出部分为双极结构的复合型器件，同时具备MOSFET和双极晶体管两者的优点。输入阻抗高，可以用小功率驱动，并且可以将电流放大为大电流。此外，即使在高耐压条件下，导通电阻*也可保持在较低水平。开关速度不如MOSFET快，但比双极晶体管要快。
*参数为“饱和电压”。
IGBT的特点：与MOSFET和双极晶体管的比较 总结
本文对MOSFET、双极晶体管和IGBT进行了比较。IGBT具有耐压高、损耗低、速度较快等优点，但每种晶体管都有其优点，所以基本上还是需要根据应用产品来区分使用。关于各种功率晶体管的适用范围及区分使用方法，请参考“IGBT的适用范围”和“使用了IGBT的应用产品”。
下图与“IGBT的适用范围”一文中使用的图相同，图中根据不同功率器件的特点列出了不同工作频率和输出容量（VA）下的适用范围。对IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET的分立器件覆盖的面积进行比较后，可以汇总如下。当然，由于每种功率元器件都是多样化的，所以这里是基于通常的概括性特点进行汇总的。
- 在IGBT与Si MOSFET的比较中，IGBT覆盖输出容量大的低频区域，Si MOSFET覆盖输出容量小的高频区域。
- 在IGBT与SiC MOSFET的比较中，SiC MOSFET覆盖输出容量大的高频区域。
- Si MOSFET与SiC MOSFET覆盖的频率范围相同，但Si MOSFET覆盖低输出容量区域，而SiC MOSFET则覆盖高输出容量区域。
IGBT的适用范围
下图更具体地列出了这些特点，并给出了在电机应用中区分使用它们时的要点。从正确区分使用的角度来看，不同条件下的损耗差异是非常重要的。损耗分导通损耗和开关损耗来考虑。下图中的IGBT、SiC MOSFET、Si MOSFET都是分立器件，“+SBD”和“+FRD”表示外置对应的分立二极管。
在导通损耗方面，如果流过的电流约在5A以下的范围，Si MOSFET优于IGBT，但在5A以上时IGBT表现更出色。该电流区域未被SiC MOSFET覆盖，因此通常考虑采用IGBT或Si MOSFET。Si MOSFET在以小电流运行的系统中占优势，比如家用空调的室外机等在轻负载时正常稳定运行占比多的应用。这也与上述①中的IGBT和Si MOSFET的覆盖范围比较结果一致。
关于开关损耗，随着PWM频率（开关频率）变快，在IGBT＋FRD（快速恢复二极管）和SiC MOSFET＋SBD（肖特基势垒二极管）之间的比较中，SiC MOSFET＋SBD更具优势，与上述②中的比较结果一致。这是由于受IGBT+FRD的特点——导通时的反向恢复电流和关断时的尾电流的影响。SiC MOSFET＋SBD因其不会流过尾电流而使开关损耗得以显著改善。
但是，对于电机应用而言，普通的电机多在20kHz以下的较低频率下使用，加上SiC MOSFET在成本方面不占优势，所以目前SiC MOSFET多在特殊应用中使用。在当今的电机应用中，考虑到性能、损耗和成本之间的平衡，IGBT是主流。
综上所述，我们探讨了每种功率器件的特点以及包括成本在内的考量，最终需要根据应用的需求选择合适的产品。在包括逆变器在内的电机驱动应用中，除了上述的“IGBT分立器件+FRD”示例外，被广泛使用的还有面向电机应用的FRD内置型IGBT分立器件和IGBT IPM（智能功率模块）。
