IGBT西門康SKM400GA123D大功率igbt

上海萱鴻電子技有限公司：

  代理功率半導體產品及配套器件，IGBT以及配套驅動網上供應商。公司憑借多年的從業經驗、不懈的開拓精神及良好的商業信譽，在電力電子行業樹立了良好的企業形象，同時與多家電力電子企業和上市公司長期保持著穩定互信的合作關系，也是眾多電子廠商（富士、三菱、英飛凌、西門康，艾塞斯，尼爾，ABB，西瑪，三社、宏微等）的誠信代理商。通過多年的實戰經驗，公司積累了堅實的功率半導體應用知識，為電力拖動、風力發電、電焊機、電力機車等行業提供完善的解決方案，為客戶提供技術支持！ 代理品牌 1、富士、英飛凌、三菱、西門康全系列IGBT產品；2、富士、三菱、英飛凌、西門康、仙童、ABB、三社、IR、IXYS、可控硅、單管、整流橋產品；3、CONCEPT、IDC驅動片及驅動板；4、巴斯曼（BUSSMANN)，西門子，日之出等品牌熔斷器、底座、熔芯等；

從功能上來說，IGBT就是一個由晶體管實現的電路開關。當其導通時，可以承受幾十到幾百安培量級的電流；當其關斷時，可以承受幾百至幾千伏特的電壓。

    家里的電燈開關是用按鈕控制的。IGBT作為晶體管的一種，它不用機械按鈕，而是由別的電路來控制的。具體點說，IGBT的簡化模型有3個接口，有兩個（集電極、發射極）接在強電電路上，還有一個接收控制電信號，叫作門極。給門極一個高電平信號，開關（集電極與發射極之間）就通了；再給低電平信號，開關就斷了。給門級發出控制指令的電路稱為控制電路，你可以理解為是一種“計算機”，只不過實際用的“計算機”通常是單片機或者是叫作DSP的微處理器，擅長處理數字信號，比較小巧，甚至對于一些很基本的應用，可能靠一些簡單的芯片和電路就可以實現控制，無需編程。但要注意的是，門級所謂數字信號的電壓也需要10到20伏特，所以在控制電路和IGBT之間還需要一個小的“驅動電路”來進行信號的轉換。

    這種可以用數字信號控制的強電開關還有很多種。作為其中的一員，IGBT的特點是，在它這個電流電壓等級下，它支持的開關速度是  的，一秒鐘可以開關近萬次。換言之，IGBT開關頻率可以達到10kHz級別。GTO以前也用在軌道交通列車上，但是GTO開關速度低，所以現在只有在  電壓電流超過IGBT承受范圍的場合才使用。IGCT本質上也是GTO，不過結構做了優化，其開關速度和  電壓電流都介于GTO和IGBT之間。另一方面，比IGBT開關速度更快的是大功率MOSFET，但其支持的  電壓電流均小于IGBT。

    要這么快的開關干什么用？常見的強電只有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，光伏電站發出的直流電，也無法轉換為交流。而利用IGBT這種開關，人們可以設計出一類電路，通過控制IGBT，把電源側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。這類電路統稱電力電子電路，由電力電子電路做成的設備稱為變換器。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是花樣  多的，一般直接稱為變換器。

    怎么實現的？需要講一下PWM（脈寬調制）的概念。這個道理可以用照明燈接觸不良時快速閃爍來類比。閃爍的燈看起來沒有正常的燈亮，這是因為閃爍的燈亮0.1秒，又滅0.1秒，總共0.2秒的時間內它只發出了正常燈0.1秒的光能，所以顯得暗。功率電路的本質是傳輸電能，所以也可以利用這個原理。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，它就等效于用電器兩端始終接著200V的電壓。我們管這個只持續0.2秒的300V電壓叫脈沖，通過改變脈沖在0.3秒內占據的時間（也就是脈寬），就可以實現等效電壓在這個時刻內成為0~300V內的任何一個值，所謂的脈寬調制一詞就是這么來的。電壓一高一低變化的總時間越短，從宏觀上看電壓越接近等效電壓。

如果你仔細看了上一段的說明，你會發現實現這個功能需要至少兩個開關，一個接在用電器和300V之間，一個接在用電器和0V之間。兩個開關交替導通才可以實現PWM，這和家里的電燈只有一個開關是不太一樣的。當然，在很多應用中，可以將其中一個開關替換為二極管，另外一個開關的通斷可以自動控制二極管的通斷。

    總之，我現在有了電壓、頻率都受我控制的強電了。這個強電就可以用來驅動高鐵的電機。現在高鐵使用的都是交流電機，它結構簡單且省電，但是轉速很難調整。好在它的轉速和輸入交流電源的頻率有很密切的關系，所以就可以用使用IGBT的變換器搞出電壓、頻率受控的強電，來靈活控制電機的轉速。反映到高鐵上，就是高鐵列車的車速。這就是所謂的變壓變頻控制（VVVF）。

    除了高鐵，像電動汽車、變頻空調、風力發電機等很多用到交流電機的場合，都用得到IGBT及配套的這類電路來控制電機。光伏發電、電力儲能等領域，主要用IGBT進行交流電、直流電之間的轉換。

    IGBT的特點可以從其全稱中了解一二：絕緣柵雙極晶體管。

    所謂絕緣柵，是指IGBT與MOSFET類似，作為控制的門級和功率電路部分是絕緣的，之間沒有通過導體或半導體電氣連接。門級只要出現一定的電壓，在半導體內部形成一定的電場，就可以實現IGBT的導通。

    有了絕緣柵，在開關時，只需要在IGBT切換狀態的瞬時間內給門級注入/抽取一點能量，改變內部電場，就可以改變IGBT的工作狀態。這個過程很容易做的非常快速，這也是IGBT、功率MOSFET的  開關速度較高的原因之一。相比之下，普通的三極管（BJT）中，控制極需要有持續的電流才能維持導通，而且當主功率電路中的電流較大時，這個電流也必須相應地變得比較大才能支持這樣的電流。

    所謂雙極，是指IGBT導通時，半導體內的電子和空穴兩種粒子都參與電流傳導。就像教科書里二極管導通時電壓總是0.7V一樣，利用電導調制現象，IGBT導通時的電壓相對于大電流不敏感。相比之下，功率MOSFET作為單極器件，其導通時類似一個小電阻，小電阻上的電壓和電流呈線性關系，因此當電流超過一定程度時，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  電流。另一方面，減小MOSFET中小電阻的努力會希望MOSFET的兩個功率極不要相隔太遠，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別。晶閘管的內部結構類似于兩個晶體管，依靠這兩個晶體管之間相互放大，實現了IGBT等晶體管難以實現的超大電流的傳導。但其問題在于關斷器件時，需要抽取很大的電流，讓兩個晶體管退出相互放大的狀態。這一過程需要的瞬時功率大，速度也比較慢，所以關斷晶閘管的過程會損失比較多的能量。這也是為什么GTO支持的開關頻率會明顯小于IGBT。

    IGBT結構示意圖，可簡化為一個PNP型三極管和一個N-MOSFET的組合

    IGBT的結構可簡化視為一個PNP型三極管和一個N-MOSFET的組合。門及信號直接控制MOSFET的通斷，當MOSFET導通時，會持續向PNP型三極管的基極抽取電流，實現PNP三極管的導通。當MOSFET關斷時，會掐斷這一電流，從而關斷PNP三極管。

    IGBT是非常成功的電力電子器件之一。當然，被IGBT一定程度取代的GTO也很成功，至今在電網級別的應用中還很廣泛。相比之下，還有很多不為人知的器件都成為了歷史中的過客。不過，近年寬禁帶半導體器件技術取得了不少突破，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，而無需再使用更為復雜的IGBT結構。在電動汽車、軌道交通領域，商品化的基于SiC-MOSFET的變換器已經投入市場了。當然，理論上碳化硅材料和IGBT結構也是可以結合的，其電壓、電流也會上升一個等級，或有望擠占目前硅基GTO的市場。