IGBT的应用领域与器件介绍

IGBT的应用

从功能上来说，IGBT就是一个由晶体管实现的电路开关。当其导通时，可以承受几十到几百安培量级的电流；当其关断时，可以承受几百至几千伏特的电压。

家里的电灯开关是用按钮控制的。IGBT作为晶体管的一种，它不用机械按钮，而是由别的电路来控制的。具体点说，IGBT的简化模型有3个接口，有两个（集电极、发射极）接在强电电路上，还有一个接收控制电信号，叫作门极。给门极一个高电平信号，开关（集电极与发射极之间）就通了；再给低电平信号，开关就断了。给门级发出控制指令的电路称为控制电路，你可以理解为是一种“计算机”，只不过实际用的“计算机”通常是单片机或者是叫作DSP的微处理器，擅长处理数字信号，比较小巧，甚至对于一些很基本的应用，可能靠一些简单的芯片和电路就可以实现控制，无需编程。但要注意的是，门级所谓数字信号的电压也需要10到20伏特，所以在控制电路和IGBT之间还需要一个小的“驱动电路”来进行信号的转换。

这种可以用数字信号控制的强电开关还有很多种。作为其中的一员，IGBT的特点是，在它这个电流电压等级下，它支持的开关速度是最高的，一秒钟可以开关近万次。换言之，IGBT开关频率可以达到10kHz级别。GTO以前也用在轨道交通列车上，但是GTO开关速度低，所以现在只有在最大电压电流超过IGBT承受范围的场合才使用。IGCT本质上也是GTO，不过结构做了优化，其开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间。另一方面，比IGBT开关速度更快的是大功率MOSFET，但其支持的最大电压电流均小于IGBT。

要这么快的开关干什么用？常见的强电只有50Hz的交流电，变压器能变它的电压，但是不能改变它的频率，更不能把它变成直流；另一方面，光伏电站发出的直流电，也无法转换为交流。而利用IGBT这种开关，人们可以设计出一类电路，通过控制IGBT，把电源侧的交流电变成给定电压的直流电，或是把各种电变成所需频率的交流电。这类电路统称电力电子电路，由电力电子电路做成的设备称为变换器。特别的，把交流电变成直流电的电路叫做整流器，把直流电变成交流电的叫做逆变器，而直流变直流的电路其实是花样最多的，一般直接称为变换器。

怎么实现的？需要讲一下PWM（脉宽调制）的概念。这个道理可以用照明灯接触不良时快速闪烁来类比。闪烁的灯看起来没有正常的灯亮，这是因为闪烁的灯亮0.1秒，又灭0.1秒，总共0.2秒的时间内它只发出了正常灯0.1秒的光能，所以显得暗。功率电路的本质是传输电能，所以也可以利用这个原理。如果用电器前0.2秒接了300V的电压，后0.1秒接了0V的电压，那在0.3秒内，它就等效于用电器两端始终接着200V的电压。我们管这个只持续0.2秒的300V电压叫脉冲，通过改变脉冲在0.3秒内占据的时间（也就是脉宽），就可以实现等效电压在这个时刻内成为0~300V内的任何一个值，所谓的脉宽调制一词就是这么来的。电压一高一低变化的总时间越短，从宏观上看电压越接近等效电压。

通过较高电压直流电和PWM方法，得到任意较低电压直流电的示意图

通过直流电和PWM方法，得到不同电压、不同频率交流电的示意图

如果你仔细看了上一段的说明，你会发现实现这个功能需要至少两个开关，一个接在用电器和300V之间，一个接在用电器和0V之间。两个开关交替导通才可以实现PWM，这和家里的电灯只有一个开关是不太一样的。当然，在很多应用中，可以将其中一个开关替换为二极管，另外一个开关的通断可以自动控制二极管的通断。

总之，我现在有了电压、频率都受我控制的强电了。这个强电就可以用来驱动高铁的电机。现在高铁使用的都是交流电机，它结构简单且省电，但是转速很难调整。好在它的转速和输入交流电源的频率有很密切的关系，所以就可以用使用IGBT的变换器搞出电压、频率受控的强电，来灵活控制电机的转速。反映到高铁上，就是高铁列车的车速。这就是所谓的变压变频控制（VVVF）。

除了高铁，像电动汽车、变频空调、风力发电机等很多用到交流电机的场合，都用得到IGBT及配套的这类电路来控制电机。光伏发电、电力储能等领域，主要用IGBT进行交流电、直流电之间的转换。

IGBT器件

IGBT的特点可以从其全称中了解一二：绝缘栅双极晶体管。

所谓绝缘栅，是指IGBT与MOSFET类似，作为控制的门级和功率电路部分是绝缘的，之间没有通过导体或半导体电气连接。门级只要出现一定的电压，在半导体内部形成一定的电场，就可以实现IGBT的导通。

有了绝缘栅，在开关时，只需要在IGBT切换状态的瞬时间内给门级注入/抽取一点能量，改变内部电场，就可以改变IGBT的工作状态。这个过程很容易做的非常快速，这也是IGBT、功率MOSFET的最大开关速度较高的原因之一。相比之下，普通的三极管（BJT）中，控制极需要有持续的电流才能维持导通，而且当主功率电路中的电流较大时，这个电流也必须相应地变得比较大才能支持这样的电流。

所谓双极，是指IGBT导通时，半导体内的电子和空穴两种粒子都参与电流传导。就像教科书里二极管导通时电压总是0.7V一样，利用电导调制现象，IGBT导通时的电压相对于大电流不敏感。相比之下，功率MOSFET作为单极器件，其导通时类似一个小电阻，小电阻上的电压和电流呈线性关系，因此当电流超过一定程度时，功率MOSFET上消耗的电能（电压和电流的乘积）就太大了，限制了MOSFET的最大电流。另一方面，减小MOSFET中小电阻的努力会希望MOSFET的两个功率极不要相隔太远，但这也制约了MOSFET承受电压的能力。

所谓晶体管，其与GTO等晶闸管有一定的区别。晶闸管的内部结构类似于两个晶体管，依靠这两个晶体管之间相互放大，实现了IGBT等晶体管难以实现的超大电流的传导。但其问题在于关断器件时，需要抽取很大的电流，让两个晶体管退出相互放大的状态。这一过程需要的瞬时功率大，速度也比较慢，所以关断晶闸管的过程会损失比较多的能量。这也是为什么GTO支持的开关频率会明显小于IGBT。

IGBT结构示意图，可简化为一个PNP型三极管和一个N-MOSFET的组合

IGBT的结构可简化视为一个PNP型三极管和一个N-MOSFET的组合。门及信号直接控制MOSFET的通断，当MOSFET导通时，会持续向PNP型三极管的基极抽取电流，实现PNP三极管的导通。当MOSFET关断时，会掐断这一电流，从而关断PNP三极管。

IGBT是非常成功的电力电子器件之一。当然，被IGBT一定程度取代的GTO也很成功，至今在电网级别的应用中还很广泛。相比之下，还有很多不为人知的器件都成为了历史中的过客。不过，近年宽禁带半导体器件技术取得了不少突破，其中碳化硅（SiC）材料耐压、耐温更高，因此用碳化硅做成的MOSFET就可以直接媲美IGBT的电压、电流承载能力，而无需再使用更为复杂的IGBT结构。在电动汽车、轨道交通领域，商品化的基于SiC-MOSFET的变换器已经投入市场了。当然，理论上碳化硅材料和IGBT结构也是可以结合的，其电压、电流也会上升一个等级，或有望挤占目前硅基GTO的市场。
编辑：lyn