IGBT工作原理---转自知乎

Posted 2020-10-13 50萌主

作者：知乎用户
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　　从功能上来说，IGBT就是一个电路开关，用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上的。（相对而言，手机、电脑电路板上跑的电电压低，以传输信号为主，都属于弱电。）可以认为就是一个晶体管，电压电流超大而已。

　　家里的电灯开关是用按钮控制的。IGBT不用机械按钮，它是由计算机控制的。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。给门极的信号是数字信号（即只有高和低两种状态），电压很低，属于弱电，只要经过一个比较简单的驱动电路就可以和计算机相连。实际用的“计算机”通常是叫作DSP的微处理器，擅长处理数字信号，比较小巧。

　　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，一秒钟可以开关几万次。GTO以前也用在轨道交通列车上，但是GTO开关速度低，损耗大，现在只有在最大电压电流超过IGBT承受范围才使用；IGCT本质上也是GTO，不过结构做了优化，开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间；大功率MOSFET快是快，但不能支持这么大的电压电流，否则会烧掉。

　　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，不能把它变成直流。而有了IGBT这种开关，就可以设计出一类电路，通过计算机控制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，给负载使用。这类电路统称变换器。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；直流变直流的叫开关电源；三相交流变交流的叫矩阵变换器。

　　怎么实现的？需要讲一下PWM的概念，这里我可能说的不是很清楚。题主见没见过家里的照明灯接触不良的时候快速闪烁？闪烁的灯看起来没有正常的灯亮吧？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。强电本质上是传输电能，所以也可以利用这个原理。如果用电器内的电流几乎不变，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，通过改脉冲在0.3秒内占据的时间，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，即所谓的脉宽调制（PWM）。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。

　　维基百科日文的一张图，图示了通过PWM，得到不同电压直流电的方法。

　　维基百科日文的一张图，图示了通过PWM，得到不同电压、频率的交流电的方法。

　　当然你会问开关都断开了，为啥用电器里的电流几乎不变，那是因为开关不是直接和用电器串联的。实际的变换器电路会稍有些复杂，开关断开时，有另一条电路会自动启用，保证电流是连续的。（也有反过来的电路，开关断开时反而从电源给用电器供电，合上时不从电源供电。）要是没学过电容电感和二极管的话，知道有这么回事儿就可以了……

　　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。太阳能电厂、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的结构见百科吧，反正这玩意儿和发动机差不多，开关速度高、最大电压电流高的高性能产品，国内技术暂时都不怎么成熟。两年前参观南车的生产车间，那时我国的企业只管最后封装（加个壳）。。。今年南车发新闻说造出来了，我不是很了解，不说瞎话了。。。

　　各类功率半导体器件由于设计结构的差别都有其适用的工作区间（电压，电流，频率），如下图所示:

Fig. 2: 功率半导体器件工作电流电压与频率

Fig. 3: 应用领域所需的工作电流电压与频率

　　上图可知， IGBT器件在电动／混动汽车上的应用会随着其市场的增长而随之增长，德国各大车厂都很PUSH，相关研究经费（大学，科研所，公司）最近几年爆发式上升。

　　功率半导体产业前景还是比较乐观的。

　　国家电网在研制超大导通电流超大阻断电压的硅基IGBT，这在世界上是独一无二的（其他国家很少有超远距离超高压输电工程，所以也没有需求来研制此类产品）。

　　不过，近几年来，宽禁带半导体在功率器件上的应用有了爆炸性的增长(以前很少，产量，成本，可靠性问题)，上图相应的应用范围将会产生变化，如 SiC 的MOSFET可替代硅基 IGBT (三菱电机的全 SiC 解决方案，运用于电动车上)，SiC的 IGBT(现为研究热点) 则可应用于更高电压电流(GTO)的场合。