在功能上，IGBT是一個由晶體管實現(xiàn)的電路開關(guān)。開著的時候能承受幾十到幾百安培的電流；當它關(guān)閉時，它可以承受數(shù)百到數(shù)千伏的電壓。
家里的電燈開關(guān)是用按鈕控制的。作為一種晶體管，IGBT是由其他電路控制的，而不是機械按鈕。具體來說，IGBT的簡化模型有三個接口，其中兩個(集電極和發(fā)射極)連接到高壓電路，另一個接收控制電信號，稱為柵極。給柵極一個高電平信號，開關(guān)(集電極和發(fā)射極之間)就會導(dǎo)通；發(fā)出一個低信號，開關(guān)就會斷開。向門級發(fā)送控制指令的電路稱為控制電路，你可以理解為一種“計算機”，但實際的“計算機”通常是單片機或稱為DSP的微處理器，擅長處理數(shù)字信號，體積相對較小。即使是一些非?；A(chǔ)的應(yīng)用，也可能是一些簡單的芯片和電路控制，不需要編程。然而， 需要注意的是，所謂的數(shù)字信號在門級的電壓也需要10到20伏，所以在控制電路和IGBT之間需要一個小的“驅(qū)動電路”來進行信號轉(zhuǎn)換。
可以用數(shù)字信號控制的高壓開關(guān)有很多種。作為其中之一，IGBT的特點就是在它的電流和電壓水平上，它支持的開關(guān)速度是不錯的，一秒鐘可以開關(guān)近萬次。也就是說，IGBT的開關(guān)頻率可以達到10kHz級別。以前軌道交通列車上也使用GTO，但是GTO的開關(guān)速度較低，所以現(xiàn)在只在電壓和電流超過IGBT的耐受范圍時使用。IGCT本質(zhì)上是GTO，但結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開關(guān)速度和電壓電流介于GTO和IGBT之間。另一方面，IGBT的開關(guān)速度比大功率MOSFET快，但它支持的電壓和電流都比IGBT小。
這么快的開關(guān)有什么用？常見的高壓只有50Hz交流電，變壓器可以改變電壓，但不能改變頻率，更不能變成DC。另一方面，光伏電站產(chǎn)生的直流電無法轉(zhuǎn)化為交流電。利用IGBT作為開關(guān)，人們可以設(shè)計一種電路。通過控制IGBT，可以將電源側(cè)的交流電變成給定電壓的直流電，也可以將各種電變成所需頻率的交流電。這種電路統(tǒng)稱為電力電子電路，由電力電子電路制成的器件稱為轉(zhuǎn)換器。特別是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的電路叫整流器，把直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電路叫逆變器， 而將直流電轉(zhuǎn)換成直流電的電路實際上是多種多樣的，一般稱為轉(zhuǎn)換器。
怎么發(fā)生的？需要說說PWM(脈寬調(diào)制)的概念。這個道理可以和接觸不良時燈光快速閃爍相提并論。閃爍的光看起來不像正常的光。這是因為閃光燈亮0.1秒，滅0.1秒。在總共0.2秒的時間里，它發(fā)出的光能只有正常光線的0.1秒，所以看起來很暗。電源電路的本質(zhì)是傳輸電能，所以也可以用這個原理。如果器具前0.2秒接300V電壓，后0.1秒接0V電壓，相當于器具兩端在0.3秒內(nèi)一直是200V電壓。我們稱之為300伏電壓，一個脈沖只持續(xù)0.2秒。通過改變脈沖在0.3秒內(nèi)所占的時間(即脈沖寬度)，可以實現(xiàn)此時等效電壓可以變成0~300V范圍內(nèi)的任意值， 而所謂的脈寬調(diào)制也由此而來。電壓由高變低的總時間越短，電壓越接近等效電壓。
通過較高電壓的DC和PWM方法，得到了任意較低電壓DC的原理圖。
通過直流電法和PWM法，得到不同電壓和頻率的交流電原理圖。
如果你仔細看了上一段的解釋，你會發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)這個功能至少需要兩個開關(guān)，一個接在用電設(shè)備和300V之間，一個接在用電設(shè)備和0V之間，只有兩個開關(guān)交替導(dǎo)通才能實現(xiàn)PWM，這和家里的燈只有一個開關(guān)有很大的區(qū)別。當然，在很多應(yīng)用中，其中一個開關(guān)可以用二極管代替，另一個開關(guān)的通斷可以自動控制二極管的通斷。
總之，我現(xiàn)在有強電了，它的電壓和頻率都由我控制。這種強電可以用來驅(qū)動高鐵的電機。目前高鐵使用的是交流電機，結(jié)構(gòu)簡單，省電，但速度難以調(diào)節(jié)。幸運的是，它的轉(zhuǎn)速與輸入交流電源的頻率密切相關(guān)，因此可以使用IGBT轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電壓和頻率可控的強電，以靈活控制電機的轉(zhuǎn)速。反映在高鐵上，就是高鐵列車的速度。這就是所謂的變壓變頻控制(VVVF)。
除了高鐵，在很多使用交流電機的場合，如電動汽車、變頻空調(diào)、風力發(fā)電機等，都使用IGBT及其配套電路來控制電機。在光伏發(fā)電、電力儲存等領(lǐng)域，IGBT主要用于交流和DC之間的轉(zhuǎn)換。
IGBT的特性可以從它的全稱:絕緣柵雙極晶體管得知。
所謂絕緣柵，就是IGBT類似于MOSFET，控制柵和電源電路是絕緣的，兩者之間沒有通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電連接。只要在柵極出現(xiàn)一定的電壓，在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一定的電場，IGBT就可以開啟。
采用絕緣柵，只需在柵級注入/提取少量能量，改變開關(guān)過程中的內(nèi)部電場，就可以改變IGBT的工作狀態(tài)。這個過程很容易做到非?？?，這是IGBT和功率MOSFET開關(guān)速度高的原因之一。相比之下，在一個普通的三極管(BJT)中，控制極需要持續(xù)的電流來維持導(dǎo)通，而當主電源電路中的電流較大時，電流也必須相應(yīng)較大才能支持這樣的電流。
所謂雙極，就是當IGBT開啟時，半導(dǎo)體中的電子和空穴都參與電流傳導(dǎo)。正如教科書上二極管的電壓始終是0.7V一樣，通過電導(dǎo)調(diào)制，IGBT的電壓對大電流不敏感。相比之下，作為單極性器件，功率MOSFET在導(dǎo)通時類似于一個小電阻，小電阻上的電壓和電流成線性關(guān)系。所以當電流超過一定水平時，功率MOSFET消耗的功率(電壓和電流的乘積)過大，限制了MOSFET的電流。另一方面，努力降低MOSFET中的小電阻會希望MOSFET的兩個電源極不要相距太遠，但這也制約了MOSFET的耐壓能力。
所謂晶體管，不同于GTO和其他晶閘管。晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于兩個晶體管。通過這兩個晶體管之間的相互放大，實現(xiàn)了IGBT等晶體管難以實現(xiàn)的超大電流的導(dǎo)通。但問題是，當器件關(guān)斷時，需要汲取很大的電流才能使兩個晶體管退出相互放大的狀態(tài)。這個過程要求瞬時功率大，速度慢，所以關(guān)斷晶閘管的過程會損失更多的能量。這也是GTO支持的開關(guān)頻率明顯低于IGBT的原因。
IGBT結(jié)構(gòu)的原理圖可以簡化為一個PNP三極管和一個N-MOSFET的組合。
IGBT的結(jié)構(gòu)可以簡化為一個PNP晶體管和一個N-MOSFET的組合。柵極和信號直接控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。當MOSFET導(dǎo)通時，它會不斷地向PNP晶體管的基極汲取電流，實現(xiàn)PNP晶體管的導(dǎo)通。當MOSFET關(guān)斷時，該電流將被切斷，從而關(guān)斷PNP晶體管。
IGBT是最成功的電力電子器件之一。當然，在一定程度上被IGBT取代的GTO也是非常成功的，在電網(wǎng)級的應(yīng)用中仍然廣泛使用。相比之下，很多不知名的設(shè)備都成了歷史上的路人。然而，近年來寬帶隙半導(dǎo)體器件技術(shù)取得了許多突破，其中碳化硅(SiC)材料具有更高的耐壓和耐溫性，因此碳化硅制成的MOSFET可以直接匹配IGBT的電壓和電流承載能力，而無需使用更復(fù)雜的IGBT結(jié)構(gòu)。在電動汽車和軌道交通領(lǐng)域，基于SiC-MOSFET的商用變流器已經(jīng)投入市場。當然，理論上碳化硅材料和IGBT結(jié)構(gòu)也可以結(jié)合，其電壓和電流也將上升一個臺階，或有望占領(lǐng)目前硅基GTO的市場。