尽管有些人可能认为 IGBT 是“传统”技术，但它在大功率应用中仍然发挥着重要作用。

如今，半导体行业的大多数新闻和讨论都围绕着基于新型宽带隙 (WBG) 材料（例如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)）的器件。然而，就在几年前，许多应用的首选解决方案还是绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。

目前，中高功率应用仍然在使用 IGBT，而且 IGBT 器件本身也在不断发展。本文将深入探讨 IGBT 的细节，并探索其现有和新兴的应用。

IGBT：物理结构

IGBT 是由四层交替排列的半导体材料 (PNPN) 构成的半导体晶体管或开关。当在器件栅极施加正确的电压时，电流会通过；移除电压后，电流会停止传导。

自诞生以来，IGBT 不断改进完善，尤其是在降低开关损耗和打造更薄的结构方面。如今，IGBT 通常采用沟槽栅极与场截止结构相结合，以抑制器件内部的寄生 NPN 特性。一旦实现这一目标，导通损耗和饱和电压就会降低，从而带来诸如功率密度提升等优势。

图 1：具有沟槽通道截止功能的场截止 IGBT 结构

IGBT 的应用和技术示例

IGBT 广泛应用于各个领域，包括太阳能逆变器、储能系统、不间断电源 (UPS)、电机驱动器、电动汽车充电器、工业焊接以及家用电器。通常，拓扑结构的选择取决于特定应用的需求。让我们来比较一下一些常见的应用。

工业焊接

考虑到更高质量的焊接需求，需要对焊接过程进行精确控制。因此，通常使用逆变器代替典型的焊接变压器，因为直流输出电流可以达到必要的精度。

还有一个安全方面的问题，因为直流电通常被认为更安全。从用户的角度来看，逆变器比变压器更小、更轻，使焊机更加便携、使用方便。

在典型的焊机中，单相或三相交流电源被整流以形成直流总线电压。整流器还为小型转换器供电，产生控制单元所需的电压。直流母线电压为逆变器供电，其标称输出电压通常约为 30 VDC。然而，在操作过程中，在开路负载条件下，触发焊接电弧时，电压可能会翻倍并降至几乎0V（实际上是短路）。”

图 2：典型焊接机概述

许多不同的拓扑结构都适用于基于逆变器的焊机。然而，最常见的包括全桥 (FB)、半桥 (HB) 和双开关正激。在 FB 和 HB 拓扑中，开关频率通常在数十 kHz 范围内，通常在 20 - 50 kHz 左右。占空比根据负载水平和输出电压进行控制。就控制方案而言，往往是恒流。

图 3：常见拓扑包括 FB、HB 和两开关转发

工业电机驱动器

最常见的工业应用之一是工业电机驱动器，它可用于机器人、大型机械或许多其他依赖于运动的应用。大多数电机驱动器应用配置为 HB，频率在 2 kHz 到 15 kHz 之间。产生的输出电压取决于开关状态和电流极性。

图 4：显示正负输出电流的半桥拓扑。

电机是感性负载，因此电流增加很快。当正电流流动时 (Ig > 0)，高侧晶体管 (T1) 导通并向负载 (Vg) 输送能量。然而，如果负载电流 Ig 沿相反方向（负极性）流动，电流将通过 D1 回流，将能量返回至直流源。

如果低侧晶体管导通（T4 导通）且高侧晶体管 (T1) 关闭，则会向负载施加等于 Vbus 一半 (-Vbus/2) 的电压，从而减小电流。如果 Ig 大于零，则电流流过 D4，将能量返回到总线源。

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