IGBT的诞生：人类对电的全新“驾驭”之道随着新能源汽车行业的迅猛崛起，一种功率半导体器件逐渐走进大众视野，它便是IGBT。IGBT，全称绝缘栅双极型晶体管，结合了三极管与MOS管的优势。三极管，又称双极型晶体管（BJT），以其低导通压降著称；而MOS管，作为绝缘栅型场效应管，则以其高输入阻抗和低驱动功率闻名。IGBT巧妙地将两者融合，既保留了MOSFET的高输入阻抗特性，又继承了三极管低导通压降的优点。简而言之，IGBT如同一个高效的开关，能够在小电压下轻松控制大电压、大电流的通断，且开关频率极高，控制简便。

IGBT的电路符号如图所示，它包含栅极G、集电极C和发射极E三个关键部分。栅极G作为控制开关的核心，通过施加高电压来控制集电极与发射极之间的导通，而低电压则会导致其关断。这种精妙的结构使得IGBT成为电力电子领域中的一颗璀璨明珠。IGBT的结构示意图如图所示，接下来我们将简要探讨IGBT的导通过程。当栅极G施加高电压时，在栅极电场的作用下，P型半导体中的少数载流子——自由电子会在与栅极相连的二氧化硅绝缘层下方聚集，从而形成反型层。这一反型层的出现，在栅极下方的二氧化硅绝缘层中构建了一个导电沟道，使得N型半导体与中间的N-漂移层得以相连通。若将N-漂移层直接与漏极相连，便构成了MOS管。而IGBT的结构则在MOS管的基础上增添了一个P+衬底，进而形成了四层结构。这里，P+意味着P型半导体的掺杂浓度较高，即多数载流子——空穴的浓度也相应较高。

进一步分析，当栅极G施加的电压超过阈值时，自由电子便能够从发射极E出发，经过小方块N型半导体，穿越反型层，最终抵达N-漂移层。而要实现IGBT的导通，还需确保N-漂移层与P+衬底间的PN结能够导通，这要求集电极C施加的正电压需大于JPN结的导通电压。

接下来，我们深入探讨IGBT的等效电路图。从IGBT的结构中，我们可以观察到，它主要由上部的MOSFET、左侧的PNP三极管以及NPN三极管结构组成。当栅极施加超过阈值的正电压时，N-漂移层中产生的电流将充当左侧PNP三极管基极的电流。一旦基极电流达到特定水平，PNP三极管便会开启，从而在集电极与发射极之间形成导电通道。拖尾电流现象：在IGBT导通过程中，电子会从N-漂移区流向背面的P+集电极，同时，P+集电极会向上发射空穴。这些电子和空穴共同构成了IGBT的电流。然而，在关断时，电子会迅速从沟道中移除，而剩余的空穴则需逐渐复合消失，这就产生了拖尾电流。闩锁效应：这是IGBT可能面临的一种特殊现象。当IGBT发生闩锁时，其内部的寄生晶体管可能会形成正反馈环路，导致IGBT无法正常关断。如上图所示，IGBT结构中的PNP三极管与NPN三极管共同构成了一个晶闸管。在NPN三极管的基极和发射极之间，存在一个寄生电阻Rs。当P型半导体的横向空穴电流在Rs上产生压降时，这会对NPN三极管施加一个正向偏置电压。在集电极电流处于规定范围内的情况下，这个偏置电压并不会导致NPN三极管导通。然而，一旦集电极电流超出规定范围，这个偏置电压就会使NPN三极管以及晶闸管导通，此时栅极将失去其开关控制作用，造成自锁导通现象，这就是静态闩锁效应。

另外，当IGBT在高速关断时，由于电流下降迅速（即di/dt很大），会产生较大的位移电流。这个位移电流流过Rs时，会生成一个足以使NPN三极管导通的正向偏置电压，同样导致晶闸管自锁导通，发生闩锁效应。这被称为动态闩锁效应。

接下来，我们来看看IGBT在各个领域的应用。新能源汽车：在新能源汽车中，IGBT发挥着至关重要的作用。例如，特斯拉Model3的驱动电机使用交流电，而电池提供的是直流电。IGBT的作用就是将直流电转换为交流电，以适应驱动电机的需求。此外，IGBT还能通过改变交流电的频率来控制电机的转速，从而实现车辆的速度和加速度控制。

充电桩：充电桩需要将电网的V交流电转换为电动汽车电池所需的直流电。这个过程同样离不开IGBT的参与。

轨道交通：在现代轨道交通中，交流传动技术占据了核心地位。牵引变流器作为交流传动系统的关键部件，而IGBT又是牵引变流器不可或缺的器件之一。

除此之外，IGBT的应用还广泛涉及光伏逆变器、风电变流器以及工业控制等多个领域。IGBT的开关频率适中，介于双极型晶体管与MOS管之间，同时其功率表现也优于MOS管。因此，在低功率且高开关频率的场合下，MOS管通常是首选；而当需要大功率和高开关频率时，IGBT则更为合适。

然而，随着开关频率和功率需求的进一步提升，硅基半导体材料已接近其极限。为了满足这些更高要求，我们迫切需要采用禁带宽度更宽的半导体材料，例如SiC和GaN。这些材料不仅具有出色的开关性能，还能在高温环境下保持稳定。

接下来，我们来看看IGBT的主要生产厂家。在年之前，我国高端IGBT市场主要依赖进口。为了打破这一局面，株洲电力机车研究所旗下的时代电气抓住机遇，成功收购了英国老牌IGBT生产商丹尼克斯的75%股权。经过6年的不懈研发，他们终于在年6月建成了国内首条、世界第二条8英寸IGBT生产线，实现了从设计到制造、封装、测试的全套生产能力。这一里程碑式的事件标志着我国高端IGBT技术的自主创新取得了重大突破。

目前，国内主要的IGBT生产厂家包括亚迪半导、士兰微、中车时代电气等；而国际上，英飞凌、三菱、安森美、意法半导体、东芝等品牌也占据着重要地位。