高速列车中的igbt是什么,高铁中igbt的作用

IGBT是一种功率半导体开关——小到手机充电器、到微波炉、变频空调/冰箱等家电，大到新能源汽车、高铁，超高压输电线路的变电站都会用到功率半导体开关这一元器件，甚至有可能应用在航母的电磁弹射等。

那IGBT到底是什么呢？它具体是怎么起作用的呢？下面让我们来一一解答。

IGBT到底是个啥？

英文全称为Insulated Gate Bipolar Transistor。这一长串英文单词，是不是好像除了一个Gate其他都不太好认？你可以把他，当做是一种电路的开关，一种可以人为精确控制的电路开关，并且开和关的速度可以达到每秒上万次。从外观上看，大概是这个样子的。

这个动画视频，用三分钟说清了IGBT的具体原理。至于为什么我们需要有这样功能的开关，可以拉到文末看第二部分——

不点开视频的话，你也可以通过下面的文字了解——

IGBT的雏形是二极管，下面我们由浅及深，逐步介绍IGBT有趣的工作原理。

二极管的工作原理

二极管由半导体材料，比如硅Si，制造出来，Si的价电子层有四个电子，会跟相邻的四个Si原子形成共价健。

电流的传导需要自由电子，而共价键比较稳定，几乎没有多余电子。怎么办呢？科学家想出一个办法——掺杂。比如用价电子为5的磷P置换Si，自由电子产生了。

光有电子没有用，半导体需要用价电子为3的硼B置换另一块Si，空穴产生了。就这样，萝卜和坑都有了。

前者被称为N型半导体，后者被称为P型半导体。

将N型和P型半导体拼在一起，二极管就诞生了。在两种半导体的交界线，有趣的事情发生了。交界处的空穴和电子，在相互吸引下，“牵手”成功。

同时因为电子的离开，会使N部分边缘轻微带正电。相反，P部分边缘带负电。产生的内电场（又称势垒）会阻止任何一个电子进一步迁移。因此断电状态下，二极管内是没有电流的。

下面，我们给二极管接上电源。

此时电源吸引电子和空穴到两个极端，无法有电流产生，也就是电路断开。

如果反转电源，又会发生什么？

假设电源有足够电压，能够克服内电场的阻挡，电子会越过势垒，跳到P型的空穴里，并逐渐移动到外部电路，即电路接通。此时外部电压也被称为二极管的正向偏压。

这种材料存在导通和不导通两种状态，而且可以人为控制，所以被成为“半导体。”接下来，难度有所升级哦。

MOSFET的工作原理

MOSFET，又简称MOS管，金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管，有NPN型和PNP型。我们以NPN型为例，看看电路是如何接通和断开的。

和二极管相同，MOS管的N部分、P部分交界处也会产生内电场，阻止电子扩散，此时没有电流。

下面我们接通电源，底部N部分电子向正极移动，空穴向相反方向移动，底部N与P交界处内电场持续增大，即电路断开。反向接通电源，也是如此，在上端的N型半导体与P型半导体交界处，内电场增大，电路依旧处于断开状态。那么，怎么才能让电路接通呢？

MOSFET的剖面大概是这个样子的

这个结构无论正反接电压，都无法使电路导通

工程师在P部分上方加入金属板和绝缘板，又称为栅级。

源极与漏极电压不变，栅源加正电压。栅极将P部分电子吸引到绝缘板附近，空穴被填充，此处电位逐渐变化到和两旁N部分相同，于是一条通道打开了。

电子在源极、漏极电压驱动下运动，产生电流，电路接通。

升高栅极电压，电路接通；降低栅极电压，电路断开。

栅极的存在，使得MOS管只需要很小的驱动功率和很低的电压，就可以控制大功率大电压的电路。而且可以实现很快的速度。我们理想中的开关管已经产生了。

IGBT的区别

其实IGBT的结构和MOS管非常接近，只是有时候，MOSFET支持的电压还不够高，电流还不够大。电压乘以电流等于功率，也就是MOSFET控制的电路，功率还不够高。此时需要背面增加N+和P+层。

“+”意味着更高的自由电子或者空穴密度。从而IGBT在保留MOS管优点的同时，增加了载流能力和抗压能力。

这样，IGBT就可以承担新能源车上交直流转换、高低压转换的繁重而精确的工作了。

第二个问题，IGBT在哪里有应用？

交流电和直流电各有优势，交流电适合发电站发电，且可以通过电磁感应简单地变换电压；直流电则适合使用化学电池储存。

但在半导体功率开关诞生之前，两者之间无法自由且高效地互相转换。所以在爱迪生和特斯拉的时代，两位科学巨人在道路选择的问题上发生了很大的分歧。

自从有了诸如IGBT的功率半导体开关，人们就能通过PWM脉宽调制的方式，配合一定的简单电路，让电能在交流和直流之间自由转换，并且控制交直流的电压，以及交流电的频率——关键效率还很高，不会损失很多能量。

如果你不了解这交流电如何变成直流电，下面我们的这篇视频，应该可以让你三分钟快速了解。

文中为了便于理解，举例的是最简单的单相桥式电路。工程师使用更复杂的三相桥式电路，还可以任意控制三相交流电的每相相位，从而实现对于使用交流电的电机，进行精确控制。

生活中的许多场合都会用到功率半导体开关——从手机充电器、到微波炉、变频空调/冰箱等家电，到新能源汽车、高铁，超高压输电线路的变电站，甚至有可能应用在航母的电磁弹射等。

作为功率半导体开关中，效率与控制精度较高的一类，IGBT的制造工艺更为复杂，耐压程度更高，成本也会相对较高。所以一般都应用在相对比较高级、能够承担更高成本的场合——

• 比如对控制精度要求很高、输出实时变化的新能源车上的电机控制器、充电器；
• 对耐压和输出精度都要求较高的高铁电机控制器；
• 对耐压要求很高的变电站升降压电路等场合。

至于更一般的场合，一般会用成本更低的MOSFET管、晶闸管等。

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