IGBT(绝缘栅双极型晶体管) 是一种结合了MOSFET高输入阻抗与双极晶体管(BJT)低导通损耗特性的复合型功率半导体器件,专为高电压､大电流场景设计,是电力电子领域的核心开关元件｡
结构与组成
IGBT由三端四层结构构成:
- 栅极(Gate):与MOSFET类似,通过绝缘层(如二氧化硅)控制器件导通｡
- 集电极(Collector):连接高电压端,注入载流子｡
- 发射极(Emitter):载流子输出端,与外部电路形成电流回路｡
其内部采用“MOS栅极+双极晶体管”的复合结构:
MOS栅结构:控制输入信号,驱动功率低｡
PNP双极结构:承担主电流通路,降低导通压降｡
工作原理
IGBT通过栅极电压调控导通与关断:
导通阶段:
栅极施加正向电压,形成MOS导电沟道,电子从发射极流向集电极｡
PNP双极结构被激活,空穴从集电极注入,引发“电导调制效应”,显著降低导通电阻｡
关断阶段:
栅极电压归零,MOS沟道消失,双极结构载流子复合,电流逐渐切断｡
类型与特性
- 按电压等级分类:
低压型(<1200V):家电变频器､UPS电源｡
中高压型(1200V6500V):电动汽车､工业变频器､光伏逆变器｡
超高压型(>6500V):高铁牵引系统､智能电网｡
- 按封装形式:
单管封装:中小功率场景｡
模块化封装:集成续流二极管,适合大功率系统(如风力发电)｡
核心优势
高压耐受:支持数千伏级电压,远超普通MOSFET｡
低导通损耗:电导调制效应减少发热,效率可达95%以上｡
开关速度适中:比BJT更快,比MOSFET略慢,平衡速度与损耗｡
驱动简单:栅极电压控制,无需复杂驱动电路｡
典型应用
电能转换:
电动汽车电机控制器(DCAC逆变)｡
太阳能逆变器(DCAC转换)｡
工业控制:
变频器调节电机转速｡
焊接设备､感应加热电源｡
电力传输:
高压直流输电(HVDC)的换流阀｡
轨道交通牵引变流系统｡
IGBT通过融合MOSFET与BJT的优势,解决了高功率场景下效率与耐压的矛盾,成为新能源､智能电网等领域的“电子心脏”,推动电力电子技术向更高能效迈进｡
