IGBT的應用

從功能上來說，IGBT就是一個由晶體管實現的電路開關。當其導通時，可以承受幾十到幾百安培量級的電流；當其關斷時，可以承受幾百至幾千伏特的電壓。

家里的電燈開關是用按鈕控制的。IGBT作為晶體管的一種，它不用機械按鈕，而是由別的電路來控制的。具體點說，IGBT的簡化模型有3個接口，有兩個（集電極、發射極）接在強電電路上，還有一個接收控制電信號，叫作門極。給門極一個高電平信號，開關（集電極與發射極之間）就通了；再給低電平信號，開關就斷了。給門級發出控制指令的電路稱為控制電路，你可以理解為是一種“計算機”，只不過實際用的“計算機”通常是單片機或者是叫作DSP的微處理器，擅長處理數字信號，比較小巧，甚至對于一些很基本的應用，可能靠一些簡單的芯片和電路就可以實現控制，無需編程。但要注意的是，門級所謂數字信號的電壓也需要10到20伏特，所以在控制電路和IGBT之間還需要一個小的“驅動電路”來進行信號的轉換。

這種可以用數字信號控制的強電開關還有很多種。作為其中的一員，IGBT的特點是，在它這個電流電壓等級下，它支持的開關速度是最高的，一秒鐘可以開關近萬次。換言之，IGBT開關頻率可以達到10kHz級別。GTO以前也用在軌道交通列車上，但是GTO開關速度低，所以現在只有在最大電壓電流超過IGBT承受范圍的場合才使用。IGCT本質上也是GTO，不過結構做了優化，其開關速度和最大電壓電流都介于GTO和IGBT之間。另一方面，比IGBT開關速度更快的是大功率MOSFET，但其支持的最大電壓電流均小于IGBT。

要這么快的開關干什么用？常見的強電只有50Hz的交流電，變壓器能變它的電壓，但是不能改變它的頻率，更不能把它變成直流；另一方面，光伏電站發出的直流電，也無法轉換為交流。而利用IGBT這種開關，人們可以設計出一類電路，通過控制IGBT，把電源側的交流電變成給定電壓的直流電，或是把各種電變成所需頻率的交流電。這類電路統稱電力電子電路，由電力電子電路做成的設備稱為變換器。特別的，把交流電變成直流電的電路叫做整流器，把直流電變成交流電的叫做逆變器，而直流變直流的電路其實是花樣最多的，一般直接稱為變換器。

怎么實現的？需要講一下PWM（脈寬調制）的概念。這個道理可以用照明燈接觸不良時快速閃爍來類比。閃爍的燈看起來沒有正常的燈亮，這是因為閃爍的燈亮0.1秒，又滅0.1秒，總共0.2秒的時間內它只發出了正常燈0.1秒的光能，所以顯得暗。功率電路的本質是傳輸電能，所以也可以利用這個原理。如果用電器前0.2秒接了300V的電壓，后0.1秒接了0V的電壓，那在0.3秒內，它就等效于用電器兩端始終接著200V的電壓。我們管這個只持續0.2秒的300V電壓叫脈沖，通過改變脈沖在0.3秒內占據的時間（也就是脈寬），就可以實現等效電壓在這個時刻內成為0~300V內的任何一個值，所謂的脈寬調制一詞就是這么來的。電壓一高一低變化的總時間越短，從宏觀上看電壓越接近等效電壓。

通過較高電壓直流電和PWM方法，得到任意較低電壓直流電的示意圖

通過直流電和PWM方法，得到不同電壓、不同頻率交流電的示意圖

如果你仔細看了上一段的說明，你會發現實現這個功能需要至少兩個開關，一個接在用電器和300V之間，一個接在用電器和0V之間。兩個開關交替導通才可以實現PWM，這和家里的電燈只有一個開關是不太一樣的。當然，在很多應用中，可以將其中一個開關替換為二極管，另外一個開關的通斷可以自動控制二極管的通斷。

總之，我現在有了電壓、頻率都受我控制的強電了。這個強電就可以用來驅動高鐵的電機。現在高鐵使用的都是交流電機，它結構簡單且省電，但是轉速很難調整。好在它的轉速和輸入交流電源的頻率有很密切的關系，所以就可以用使用IGBT的變換器搞出電壓、頻率受控的強電，來靈活控制電機的轉速。反映到高鐵上，就是高鐵列車的車速。這就是所謂的變壓變頻控制（VVVF）。

除了高鐵，像電動汽車、變頻空調、風力發電機等很多用到交流電機的場合，都用得到IGBT及配套的這類電路來控制電機。光伏發電、電力儲能等領域，主要用IGBT進行交流電、直流電之間的轉換。

IGBT器件

IGBT的特點可以從其全稱中了解一二：絕緣柵雙極晶體管。

所謂絕緣柵，是指IGBT與MOSFET類似，作為控制的門級和功率電路部分是絕緣的，之間沒有通過導體或半導體電氣連接。門級只要出現一定的電壓，在半導體內部形成一定的電場，就可以實現IGBT的導通。

有了絕緣柵，在開關時，只需要在IGBT切換狀態的瞬時間內給門級注入/抽取一點能量，改變內部電場，就可以改變IGBT的工作狀態。這個過程很容易做的非常快速，這也是IGBT、功率MOSFET的最大開關速度較高的原因之一。相比之下，普通的三極管（BJT）中，控制極需要有持續的電流才能維持導通，而且當主功率電路中的電流較大時，這個電流也必須相應地變得比較大才能支持這樣的電流。

所謂雙極，是指IGBT導通時，半導體內的電子和空穴兩種粒子都參與電流傳導。就像教科書里二極管導通時電壓總是0.7V一樣，利用電導調制現象，IGBT導通時的電壓相對于大電流不敏感。相比之下，功率MOSFET作為單極器件，其導通時類似一個小電阻，小電阻上的電壓和電流呈線性關系，因此當電流超過一定程度時，功率MOSFET上消耗的電能（電壓和電流的乘積）就太大了，限制了MOSFET的最大電流。另一方面，減小MOSFET中小電阻的努力會希望MOSFET的兩個功率極不要相隔太遠，但這也制約了MOSFET承受電壓的能力。

所謂晶體管，其與GTO等晶閘管有一定的區別。晶閘管的內部結構類似于兩個晶體管，依靠這兩個晶體管之間相互放大，實現了IGBT等晶體管難以實現的超大電流的傳導。但其問題在于關斷器件時，需要抽取很大的電流，讓兩個晶體管退出相互放大的狀態。這一過程需要的瞬時功率大，速度也比較慢，所以關斷晶閘管的過程會損失比較多的能量。這也是為什么GTO支持的開關頻率會明顯小于IGBT。

IGBT結構示意圖，可簡化為一個PNP型三極管和一個N-MOSFET的組合

IGBT的結構可簡化視為一個PNP型三極管和一個N-MOSFET的組合。門及信號直接控制MOSFET的通斷，當MOSFET導通時，會持續向PNP型三極管的基極抽取電流，實現PNP三極管的導通。當MOSFET關斷時，會掐斷這一電流，從而關斷PNP三極管。

IGBT是非常成功的電力電子器件之一。當然，被IGBT一定程度取代的GTO也很成功，至今在電網級別的應用中還很廣泛。相比之下，還有很多不為人知的器件都成為了歷史中的過客。不過，近年寬禁帶半導體器件技術取得了不少突破，其中碳化硅（SiC）材料耐壓、耐溫更高，因此用碳化硅做成的MOSFET就可以直接媲美IGBT的電壓、電流承載能力，而無需再使用更為復雜的IGBT結構。在電動汽車、軌道交通領域，商品化的基于SiC-MOSFET的變換器已經投入市場了。當然，理論上碳化硅材料和IGBT結構也是可以結合的，其電壓、電流也會上升一個等級，或有望擠占目前硅基GTO的市場。
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