在功能上，IGBT是一個(gè)由晶體管實(shí)現(xiàn)的電路開(kāi)關(guān)。開(kāi)著的時(shí)候能承受幾十到幾百安培的電流；當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，它可以承受數(shù)百到數(shù)千伏的電壓。

　　家里的電燈開(kāi)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(jī)械按鈕。具體來(lái)說(shuō)，IGBT的簡(jiǎn)化模型有三個(gè)接口，其中兩個(gè)(集電極和發(fā)射極)連接到高壓電路，另一個(gè)接收控制電信號(hào)，稱為柵極。給柵極一個(gè)高電平信號(hào)，開(kāi)關(guān)(集電極和發(fā)射極之間)就會(huì)導(dǎo)通；發(fā)出一個(gè)低信號(hào)，開(kāi)關(guān)就會(huì)斷開(kāi)。向門級(jí)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(jì)算機(jī)”，但實(shí)際的“計(jì)算機(jī)”通常是單片機(jī)或稱為DSP的微處理器，擅長(zhǎng)處理數(shù)字信號(hào)，體積相對(duì)較小。即使是一些非?；A(chǔ)的應(yīng)用，也可能是一些簡(jiǎn)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(hào)在門級(jí)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(gè)小的“驅(qū)動(dòng)電路”來(lái)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。

　　可以用數(shù)字信號(hào)控制的高壓開(kāi)關(guān)有很多種。作為其中之一，IGBT的特點(diǎn)就是在它的電流和電壓水平上，它支持的開(kāi)關(guān)速度是不錯(cuò)的，一秒鐘可以開(kāi)關(guān)近萬(wàn)次。也就是說(shuō)，IGBT的開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到10kHz級(jí)別。以前軌道交通列車上也使用GTO，但是GTO的開(kāi)關(guān)速度較低，所以現(xiàn)在只在電壓和電流超過(guò)IGBT的耐受范圍時(shí)使用。IGCT本質(zhì)上是GTO，但結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開(kāi)關(guān)速度和電壓電流介于GTO和IGBT之間。另一方面，IGBT的開(kāi)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(kāi)關(guān)有什么用？常見(jiàn)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(wú)法轉(zhuǎn)化為交流電。利用IGBT作為開(kāi)關(guān)，人們可以設(shè)計(jì)一種電路。通過(guò)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(shí)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(shuō)說(shuō)PWM(脈寬調(diào)制)的概念。這個(gè)道理可以和接觸不良時(shí)燈光快速閃爍相提并論。閃爍的光看起來(lái)不像正常的光。這是因?yàn)殚W光燈亮0.1秒，滅0.1秒。在總共0.2秒的時(shí)間里，它發(fā)出的光能只有正常光線的0.1秒，所以看起來(lái)很暗。電源電路的本質(zhì)是傳輸電能，所以也可以用這個(gè)原理。如果器具前0.2秒接300V電壓，后0.1秒接0V電壓，相當(dāng)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(gè)脈沖只持續(xù)0.2秒。通過(guò)改變脈沖在0.3秒內(nèi)所占的時(shí)間(即脈沖寬度)，可以實(shí)現(xiàn)此時(shí)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(lái)。電壓由高變低的總時(shí)間越短，電壓越接近等效電壓。

　　通過(guò)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(guò)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(xì)看了上一段的解釋，你會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能至少需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)接在用電設(shè)備和300V之間，一個(gè)接在用電設(shè)備和0V之間，只有兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通才能實(shí)現(xiàn)PWM，這和家里的燈只有一個(gè)開(kāi)關(guān)有很大的區(qū)別。當(dāng)然，在很多應(yīng)用中，其中一個(gè)開(kāi)關(guān)可以用二極管代替，另一個(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)在有強(qiáng)電了，它的電壓和頻率都由我控制。這種強(qiáng)電可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)高鐵的電機(jī)。目前高鐵使用的是交流電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省電，但速度難以調(diào)節(jié)。幸運(yùn)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(qiáng)電，以靈活控制電機(jī)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(jī)的場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車、變頻空調(diào)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，都使用IGBT及其配套電路來(lái)控制電機(jī)。在光伏發(fā)電、電力儲(chǔ)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(méi)有通過(guò)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(chǎng)，IGBT就可以開(kāi)啟。

　　采用絕緣柵，只需在柵級(jí)注入/提取少量能量，改變開(kāi)關(guān)過(guò)程中的內(nèi)部電場(chǎng)，就可以改變IGBT的工作狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程很容易做到非?？?，這是IGBT和功率MOSFET開(kāi)關(guān)速度高的原因之一。相比之下，在一個(gè)普通的三極管(BJT)中，控制極需要持續(xù)的電流來(lái)維持導(dǎo)通，而當(dāng)主電源電路中的電流較大時(shí)，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(dāng)IGBT開(kāi)啟時(shí)，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(guò)電導(dǎo)調(diào)制，IGBT的電壓對(duì)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(shí)類似于一個(gè)小電阻，小電阻上的電壓和電流成線性關(guān)系。所以當(dāng)電流超過(guò)一定水平時(shí)，功率MOSFET消耗的功率(電壓和電流的乘積)過(guò)大，限制了MOSFET的電流。另一方面，努力降低MOSFET中的小電阻會(huì)希望MOSFET的兩個(gè)電源極不要相距太遠(yuǎn)，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(gè)晶體管。通過(guò)這兩個(gè)晶體管之間的相互放大，實(shí)現(xiàn)了IGBT等晶體管難以實(shí)現(xiàn)的超大電流的導(dǎo)通。但問(wèn)題是，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，需要汲取很大的電流才能使兩個(gè)晶體管退出相互放大的狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程要求瞬時(shí)功率大，速度慢，所以關(guān)斷晶閘管的過(guò)程會(huì)損失更多的能量。這也是GTO支持的開(kāi)關(guān)頻率明顯低于IGBT的原因。

　　IGBT結(jié)構(gòu)的原理圖可以簡(jiǎn)化為一個(gè)PNP三極管和一個(gè)N-MOSFET的組合。

　　IGBT的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)PNP晶體管和一個(gè)N-MOSFET的組合。柵極和信號(hào)直接控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，它會(huì)不斷地向PNP晶體管的基極汲取電流，實(shí)現(xiàn)PNP晶體管的導(dǎo)通。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，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(dāng)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(jí)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(lái)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(wú)需使用更復(fù)雜的IGBT結(jié)構(gòu)。在電動(dòng)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(chǎng)。當(dāng)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(gè)臺(tái)階，或有望占領(lǐng)目前硅基GTO的市場(chǎng)。