IGBT的應(yīng)用

從功能上來(lái)說(shuō)，IGBT就是一個(gè)由晶體管實(shí)現(xiàn)的電路開(kāi)關(guān)。當(dāng)其導(dǎo)通時(shí)，可以承受幾十到幾百安培量級(jí)的電流；當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，可以承受幾百至幾千伏特的電壓。

家里的電燈開(kāi)關(guān)是用按鈕控制的。IGBT作為晶體管的一種，它不用機(jī)械按鈕，而是由別的電路來(lái)控制的。具體點(diǎn)說(shuō)，IGBT的簡(jiǎn)化模型有3個(gè)接口，有兩個(gè)（集電極、發(fā)射極）接在強(qiáng)電電路上，還有一個(gè)接收控制電信號(hào)，叫作門(mén)極。給門(mén)極一個(gè)高電平信號(hào)，開(kāi)關(guān)（集電極與發(fā)射極之間）就通了；再給低電平信號(hào)，開(kāi)關(guān)就斷了。給門(mén)級(jí)發(fā)出控制指令的電路稱(chēng)為控制電路，你可以理解為是一種“計(jì)算機(jī)”，只不過(guò)實(shí)際用的“計(jì)算機(jī)”通常是單片機(jī)或者是叫作DSP的微處理器，擅長(zhǎng)處理數(shù)字信號(hào)，比較小巧，甚至對(duì)于一些很基本的應(yīng)用，可能靠一些簡(jiǎn)單的芯片和電路就可以實(shí)現(xiàn)控制，無(wú)需編程。但要注意的是，門(mén)級(jí)所謂數(shù)字信號(hào)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(gè)小的“驅(qū)動(dòng)電路”來(lái)進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

這種可以用數(shù)字信號(hào)控制的強(qiáng)電開(kāi)關(guān)還有很多種。作為其中的一員，IGBT的特點(diǎn)是，在它這個(gè)電流電壓等級(jí)下，它支持的開(kāi)關(guān)速度是最高的，一秒鐘可以開(kāi)關(guān)近萬(wàn)次。換言之，IGBT開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到10kHz級(jí)別。GTO以前也用在軌道交通列車(chē)上，但是GTO開(kāi)關(guān)速度低，所以現(xiàn)在只有在最大電壓電流超過(guò)IGBT承受范圍的場(chǎng)合才使用。IGCT本質(zhì)上也是GTO，不過(guò)結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，其開(kāi)關(guān)速度和最大電壓電流都介于GTO和IGBT之間。另一方面，比IGBT開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)干什么用？常見(jiàn)的強(qiáng)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(fā)出的直流電，也無(wú)法轉(zhuǎn)換為交流。而利用IGBT這種開(kāi)關(guān)，人們可以設(shè)計(jì)出一類(lèi)電路，通過(guò)控制IGBT，把電源側(cè)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(lèi)電路統(tǒng)稱(chēng)電力電子電路，由電力電子電路做成的設(shè)備稱(chēng)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(shí)是花樣最多的，一般直接稱(chēng)為變換器。

怎么實(shí)現(xiàn)的？需要講一下PWM（脈寬調(diào)制）的概念。這個(gè)道理可以用照明燈接觸不良時(shí)快速閃爍來(lái)類(lèi)比。閃爍的燈看起來(lái)沒(méi)有正常的燈亮，這是因?yàn)殚W爍的燈亮0.1秒，又滅0.1秒，總共0.2秒的時(shí)間內(nèi)它只發(fā)出了正常燈0.1秒的光能，所以顯得暗。功率電路的本質(zhì)是傳輸電能，所以也可以利用這個(gè)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(nèi)，它就等效于用電器兩端始終接著200V的電壓。我們管這個(gè)只持續(xù)0.2秒的300V電壓叫脈沖，通過(guò)改變脈沖在0.3秒內(nèi)占據(jù)的時(shí)間（也就是脈寬），就可以實(shí)現(xiàn)等效電壓在這個(gè)時(shí)刻內(nèi)成為0~300V內(nèi)的任何一個(gè)值，所謂的脈寬調(diào)制一詞就是這么來(lái)的。電壓一高一低變化的總時(shí)間越短，從宏觀上看電壓越接近等效電壓。

通過(guò)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(guò)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(xì)看了上一段的說(shuō)明，你會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)接在用電器和300V之間，一個(gè)接在用電器和0V之間。兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通才可以實(shí)現(xiàn)PWM，這和家里的電燈只有一個(gè)開(kāi)關(guān)是不太一樣的。當(dāng)然，在很多應(yīng)用中，可以將其中一個(gè)開(kāi)關(guān)替換為二極管，另外一個(gè)開(kāi)關(guān)的通斷可以自動(dòng)控制二極管的通斷。

總之，我現(xiàn)在有了電壓、頻率都受我控制的強(qiáng)電了。這個(gè)強(qiáng)電就可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)高鐵的電機(jī)。現(xiàn)在高鐵使用的都是交流電機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且省電，但是轉(zhuǎn)速很難調(diào)整。好在它的轉(zhuǎn)速和輸入交流電源的頻率有很密切的關(guān)系，所以就可以用使用IGBT的變換器搞出電壓、頻率受控的強(qiáng)電，來(lái)靈活控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。反映到高鐵上，就是高鐵列車(chē)的車(chē)速。這就是所謂的變壓變頻控制（VVVF）。

除了高鐵，像電動(dòng)汽車(chē)、變頻空調(diào)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等很多用到交流電機(jī)的場(chǎng)合，都用得到IGBT及配套的這類(lèi)電路來(lái)控制電機(jī)。光伏發(fā)電、電力儲(chǔ)能等領(lǐng)域，主要用IGBT進(jìn)行交流電、直流電之間的轉(zhuǎn)換。

IGBT器件

IGBT的特點(diǎn)可以從其全稱(chēng)中了解一二：絕緣柵雙極晶體管。

所謂絕緣柵，是指IGBT與MOSFET類(lèi)似，作為控制的門(mén)級(jí)和功率電路部分是絕緣的，之間沒(méi)有通過(guò)導(dǎo)體或半導(dǎo)體電氣連接。門(mén)級(jí)只要出現(xiàn)一定的電壓，在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一定的電場(chǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)IGBT的導(dǎo)通。

有了絕緣柵，在開(kāi)關(guān)時(shí)，只需要在IGBT切換狀態(tài)的瞬時(shí)間內(nèi)給門(mén)級(jí)注入/抽取一點(diǎn)能量，改變內(nèi)部電場(chǎng)，就可以改變IGBT的工作狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程很容易做的非?？焖伲@也是IGBT、功率MOSFET的最大開(kāi)關(guān)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(xù)的電流才能維持導(dǎo)通，而且當(dāng)主功率電路中的電流較大時(shí)，這個(gè)電流也必須相應(yīng)地變得比較大才能支持這樣的電流。

所謂雙極，是指IGBT導(dǎo)通時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電子和空穴兩種粒子都參與電流傳導(dǎo)。就像教科書(shū)里二極管導(dǎo)通時(shí)電壓總是0.7V一樣，利用電導(dǎo)調(diào)制現(xiàn)象，IGBT導(dǎo)通時(shí)的電壓相對(duì)于大電流不敏感。相比之下，功率MOSFET作為單極器件，其導(dǎo)通時(shí)類(lèi)似一個(gè)小電阻，小電阻上的電壓和電流呈線性關(guān)系，因此當(dāng)電流超過(guò)一定程度時(shí)，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(huì)希望MOSFET的兩個(gè)功率極不要相隔太遠(yuǎn)，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(qū)別。晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類(lèi)似于兩個(gè)晶體管，依靠這兩個(gè)晶體管之間相互放大，實(shí)現(xiàn)了IGBT等晶體管難以實(shí)現(xiàn)的超大電流的傳導(dǎo)。但其問(wèn)題在于關(guān)斷器件時(shí)，需要抽取很大的電流，讓兩個(gè)晶體管退出相互放大的狀態(tài)。這一過(guò)程需要的瞬時(shí)功率大，速度也比較慢，所以關(guān)斷晶閘管的過(guò)程會(huì)損失比較多的能量。這也是為什么GTO支持的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)明顯小于IGBT。

IGBT結(jié)構(gòu)示意圖，可簡(jiǎn)化為一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)N-MOSFET的組合

IGBT的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化視為一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)N-MOSFET的組合。門(mén)及信號(hào)直接控制MOSFET的通斷，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，會(huì)持續(xù)向PNP型三極管的基極抽取電流，實(shí)現(xiàn)PNP三極管的導(dǎo)通。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，會(huì)掐斷這一電流，從而關(guān)斷PNP三極管。

IGBT是非常成功的電力電子器件之一。當(dāng)然，被IGBT一定程度取代的GTO也很成功，至今在電網(wǎng)級(jí)別的應(yīng)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(guò)客。不過(guò)，近年寬禁帶半導(dǎo)體器件技術(shù)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(wú)需再使用更為復(fù)雜的IGBT結(jié)構(gòu)。在電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通領(lǐng)域，商品化的基于SiC-MOSFET的變換器已經(jīng)投入市場(chǎng)了。當(dāng)然，理論上碳化硅材料和IGBT結(jié)構(gòu)也是可以結(jié)合的，其電壓、電流也會(huì)上升一個(gè)等級(jí)，或有望擠占目前硅基GTO的市場(chǎng)。
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