從功能方面來看，IGBT模塊就是一個由晶體管實現(xiàn)的電路開關(guān)。當其導通時，可以承受幾十到幾百安培量級的電流；當其關(guān)斷時，可以承受幾百至幾千伏特的電壓。

IGBT模塊作為晶體管，其不用機械按鈕，而是由別的電路來控制的。IGBT模塊的簡化模型有3個接口，分別是集電極、發(fā)射極和門極。其中，集電極與發(fā)射極接在強電電路上，門極則用于接收控制電信號。當門極接收到高電平信號，開關(guān)（集電極與發(fā)射極之間）就通了；若接收到低電平信號，開關(guān)就斷了。給門級發(fā)出控制指令的電路稱為控制電路，可理解為“計算機”，只不過實際用的“計算機”通常是單片機或者數(shù)字信號處理器（DSP，Digital Signal Processor），擅長處理數(shù)字信號且較小巧，對于一些基本的應(yīng)用可靠簡單的芯片和電路就可以實現(xiàn)控制，無需編程。但需注意，門級所謂數(shù)字信號的電壓也需要10到20伏特，所以在控制電路和IGBT模塊之間還需要一個小的“驅(qū)動電路”來進行信號的轉(zhuǎn)換。

可以用數(shù)字信號控制的強電開關(guān)還有很多種，作為其中一員的IGBT模塊，其特點是在其電流電壓等級下，IGBT模塊支持的開關(guān)速度是最高的，一秒鐘可以開關(guān)近萬次。換言之，IGBT開關(guān)頻率可以達到10kHz級別。如可關(guān)斷晶閘管（GTO，Gate Turn Off Thyristor），以前也被應(yīng)用于軌道交通列車中，但是其開關(guān)速度低，所以現(xiàn)在只有在最大電壓電流超過IGBT模塊承受范圍的場合才使用。集成門極換流晶閘管（IGCT，Integrated Gate-Commutated Thyristor）本質(zhì)上也是GTO，但其結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，因此開關(guān)速度和最大電壓電流都介于GTO和IGBT之間。比IGBT開關(guān)速度更快的還有大功率MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor），但其支持的最大電壓電流均小于IGBT。

那么，為什么需要這么快的開關(guān)呢？常見的強電只有50Hz的交流電，變壓器能改變其電壓但不能改變它的頻率，更不能將其變成直流；另一方面，光伏電站發(fā)出的直流電，也無法轉(zhuǎn)換為交流。而利用IGBT，可以設(shè)計出一類電路，通過控制IGBT，把電源側(cè)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(tǒng)稱電力電子電路，由電力電子電路做成的設(shè)備稱為變換器。而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一般直接稱為變換器。

要實現(xiàn)上述操作，具體需要怎么做呢？這就需要脈沖寬度調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）。功率電路的本質(zhì)是傳輸電能，若開啟用電器前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(nèi)，它就等效于用電器兩端始終接著200V的電壓。這個只持續(xù)0.2秒的300V電壓叫脈沖，通過改變脈沖在0.3秒內(nèi)占據(jù)的時間（也就是脈寬），就可以實現(xiàn)等效電壓在這個時刻內(nèi)成為0~300V內(nèi)的任何一個值，這就是脈沖寬度調(diào)制。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。實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制需要至少兩個開關(guān)，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(guān)交替導通才可以實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。

現(xiàn)在有了電壓、頻率都受控制的強電，這個強電就可以用來驅(qū)動高鐵的電機?，F(xiàn)在高鐵使用的都是交流電機，其結(jié)構(gòu)簡單且省電，但是轉(zhuǎn)速很難調(diào)整。而其轉(zhuǎn)速和輸入交流電源的頻率有很密切的關(guān)系，因此可采用IGBT的變換器來靈活控制電機的轉(zhuǎn)速。反映到高鐵上，就是高鐵列車的車速，即變壓變頻控制（VVVF，Variable Voltage and Variable Frequency）。除高鐵外，電動汽車、變頻空調(diào)、風力發(fā)電機等很多用到交流電機的場合，都可采用IGBT及配套的電路來控制電機。而發(fā)電、電力儲能等領(lǐng)域，主要用IGBT進行交流電、直流電之間的轉(zhuǎn)換。

廣東愛晟電子科技有限公司生產(chǎn)的IGBT用NTC芯片，可在IGBT模塊中起到溫度控制和溫度監(jiān)測的左右。





參考資料：

電子產(chǎn)品世界《高鐵中的 IGBT 是什么？都在哪些領(lǐng)域有應(yīng)用？》