绝缘栅双极型晶体管（IGBT）及应用进行讨论

随着上市的电动汽车越来越多，普及电动汽车有关知识显得越来越来重要了。对汽车工程技术人员要求就高一些，什么是电机？什么是电机控制器？什么是逆变器？什么是IGBT？这些知识及应用常识以前没有学过，今天却要求掌握，否则会成为外行，如果不及时补充这些知识，最后可能会被淘汰掉。

如今电动汽车应用越来越多的新知识、新技术，如：电机控制器或者逆变器型号、规格越来越多。要真正理解它的工作原理，必须要对其基础理论进行学习，有了基础知识，再结合实际产品进行对照，基本上可以掌握电机控制器或者逆变器的工作原理，进而就可以科学匹配设计。下面对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）及应用进行讨论，供初级工程技术人员参考。

一、“绝缘栅双极型晶体管”的通俗理解

绝缘栅双极型晶体管是《电工学》中的一个专业术语，如何正确理解有一定难度。笔者对个这术语进行通俗的解释。

①管：理解水管的功能即可。水从管子一头流进去，从另一头流出。水是液体的，管子对水而言，就是导管。

②晶体管：水管子的材料有水泥的，也有用橡胶的等。晶体管的材料是晶体结构的，电子可以这一“头”流进去，从另一“头”流出。水管中是“空”腔，水才能流动，晶体结构材料的晶体“管”里也有“空”腔的，电子才能流动。不过水管的“空”腔，肉眼可以看到，而晶体管的“空”腔，肉眼是看不到的。于是有把“头”换成“极”，即可以这样表述了，即电子可以这一“极”流进去，从另一“极”流出。最典型是晶体二极管。二极管最大特点，只容许电子在里面的流动是单向的（正向流动），反向是流不通的。这个特性，对二极管而言，叫做单向导通性能。

④双极型晶体管：把2个二极管的开关特性进行组合起来，且进行控制，可行实现电子在晶体管中的双向流动。好比水管中间装一些三通，配合一些阀门，水的流向、流量可行进行控制了。在二级管基础进行新组合，对双极型晶体管而言，有了开关特性了。

⑤绝缘栅双极型晶体管：绝缘栅简单理解是一个阀门。通俗的理解，是带阀门控制的能控制电子双向（多向）流动的晶体管。

二、认识绝缘栅双极型晶体管

（1） 二极管

①不同二极管外形：外形有圆柱`圆球`半透明玻璃，现在有贴片，工业有铁壳的，晶体二极管是用硅或锗材料制造的半导体器件，它的内部是一个具有单向导电性的PN结。一头是正极，一头是负极。

图1 不同二极管的外形

②二极管特性：正向导通，反向截至的特性。一头是正极，一头是负极，电流从正极流向负极。

③按用途分为：整流，稳压，开关，光敏，热敏，发光等二极管。

（2）三极管

三极管比二极管多一个极（通俗地理解是三个引线，二极管是二个引线）。二极管正向导通，反向截至的特性是材料特性。三极管是在二极管的特性上，有了控制特性，这是产品特性了。

①三极管外形及符号：

图2 三极管外形及符号

②其开关原理

当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃工作于截止（cut off）区;

同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃工作于饱和区（saturation）。

（3）场效应晶体管

也叫电力场效应晶体管，是一种电压控制器件，从外表来看，仍然是三根引线，场效应晶体管已经很多个PN结的集成电路了，其生产工艺比二、三管复杂多了。

①场效应晶体管内部结构、符号、集成板

图3 场效应晶体管内部结构、符号、集成板

②场效应晶体管

有自关断能力，而且有驱动功率小，开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点，其电流、热容量小，耐压低，易于驱动和开关频率可高达500kHz。

③场效应晶体管基本用途

适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。

（4）绝缘栅双极型晶体管

在业内简称：IGBT。二极管、三极管通常用在无线电路里，而IGBT用在高压控制电路里。基本理解其功能也是控制电路流向的器件。绝缘栅双极型晶体管，集MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，已广泛应用于变频器和其他调速电路中。

图4 理想等效电路与实际等效电路

绝缘栅双极型晶体管基本特性如下：

①静态特性

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

②IGBT的开通过程、关断过程

表1：IGBT的开通过程、IGBT关断过程

图5 IGBT的开通过程、IGBT关断过程电气变化特性

三、IGBT是应用在高压（高功率）电路变化的开关器件

过去的二（三）晶体管（集成块）基本应用在收音机、电视机等控制（变化）电路里。目前汽车低压电路里依然大量使用二（三）晶体管（集成块）等电子器件，但是新能源（电动汽车）驱动，是高压（大功率）的，过去的二（三）晶体管（集成块）基本就用不了。于是产生了IGBT，其基础理论还是电子技术（模拟、数字的）。IGBT已经是大功率的、大规模的集成电子器件了。发展新能源汽车，其中要大量应用IGBT。没有这个器件的支撑，没有可能有电动驱动模块。

目前中国发展汽车的一个严重的短板是，IGBT器件大部分是进口的。电动汽车工程师必须知道IGBT知识及应用。中国目前正在追赶，尤其中车公司已经有了可靠的产品面世，中车公司自己的新能源汽车用他们自己IGBT器件更多一些。中国长期用外国公司IGBT器件，很难把控核心技术，成本优势不明显。