说到电动车、变频器、逆变器这些电力电子产品，IGBT是绕不开的核心器件。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，缩写IGBT），是一种结合了MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）和BJT（双极型晶体管）两者优点的复合功率器件——开关速度跟MOSFET一样快，导通压降跟BJT一样低，而且输入阻抗高、驱动简单。电动车的驱动电机靠IGBT把电池的直流电变成三相交流电，家用空调的变频器靠IGBT压缩机制冷制热，太阳能逆变器靠IGBT把光伏板的直流电送上电网，可以说没有IGBT就没有现代的电力电子技术。今天就聊聊IGBT的工作原理、参数选型和实际应用要点。

先搞清楚IGBT的结构和原理。IGBT从外观上看就是三只引脚的晶体管：门极（G）、集电极（C）、发射极（E）。结构上，IGBT的门极部分是一个MOSFET——只要在门极和发射极之间加足够的电压（一般12V到15V），MOSFET就会导通，允许电流流过；但导通后的主电流通道里有PN结，所以导通压降比纯MOSFET低得多（一般1.5V到2.5V，而高电压MOSFET的导通压降可能有5V甚至更高），这就是IGBT比同级别MOSFET效率高的原因。简单理解：门极的MOSFET负责"开关"，底部的PN结负责"导电"，两者结合既有MOSFET的好驱动、快开关，又有BJT的低导通损耗。

IGBT的核心参数有几个必须搞清楚。第一个是额定电压（UCE），指IGBT能承受的集电极-发射极反向电压，常见规格有650V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V，电压规格越高能应用在更高的电压系统里，电动车电池包一般是400V到800V，所以电机控制器里用的主要是650V或1200V的IGBT。第二个是额定电流（IC），指在规定壳温下的最大持续集电极电流，电动车用的IGBT额定电流一般在400A到800A之间（电机电流可能上千安，但IGBT允许短时间过流）。第三个是开关频率，IGBT的开关速度不如MOSFET——MOSFET能轻松跑到几百kHz甚至MHz级别，而IGBT一般只能跑到10kHz到30kHz（如果用IGBT4或IGBT5等新型号，开关频率能到100kHz），超过这个频率开关损耗会急剧增大。

IGBT的封装形式从单个芯片的TO-220、TO-247，到半桥/全桥模块，再到电动车专用的IGBT6模块（把6颗IGBT做在一个陶瓷基板上，功率密度非常高），种类很多。模块的设计比单芯片复杂得多：要考虑绝缘（比如陶瓷基板上的银浆）、热设计（基板背面要直接贴合散热器）、EMC屏蔽。现在主流的IGBT厂商：国外有英飞凌（Infineon）、ABB（现在叫Hitachi Energy）、三菱、富士、安森美、意法半导体；国内有中车时代、比亚迪半导体、斯达半导、宏微科技——比亚迪的IGBT已经大规模用在自家电动车上了，斯达半导是特斯拉Model 3的供应商，国产IGBT这几年进步很快。

驱动电路是让IGBT正确开关的关键。IGBT的门极是MOS结构，输入阻抗很高，几乎不用静态电流，但开关瞬间需要很大的电流——开通时要快速给门极电容充电，关断时要快速放电，不然开关速度慢、损耗大、甚至可能因为关断太慢导致MOSFET部分和PN结部分的电流分布不均而烧毁。一般用专用的IGBT驱动芯片（比如英飞凌的1EDC20I12MH、TI的UCC21520），驱动芯片和IGBT之间还要加栅极电阻（Rg），阻值大小影响开关速度：阻值小开关快但dv/dt大、可能引起EMI问题；阻值大开关慢但dv/dt小、EMI好。实际设计时要根据IGBT的规格书来选Rg，一般在几欧到几十欧之间。

实际应用中IGBT容易出的问题和解决办法。第一是过流保护，IGBT不能长时间过流（不像BJT可以扛几秒过流），必须在几微秒到几十微秒内检测到过流并关断。现代IGBT模块一般内置了过流检测功能（DESAT检测或Sense MOSFET检测），驱动芯片会自动响应。第二是热设计，IGBT的损耗分为导通损耗和开关损耗，两者之和就是发热，功耗=导通压降×电流 + 开关损耗×开关频率。电动车里IGBT的热设计非常关键：陶瓷基板+水冷散热器，散热器的冷却能力不够的话，800A的IGBT模块能在几十秒内温度飙升到175°C（超过额定结温150°C就会烧毁）。第三是EMI问题，IGBT开关时的电压和电流变化率（dv/dt和di/dt）很快，会产生大量高频谐波，需要在输入端加LC滤波、栅极回路加电容电阻、整个驱动电路加屏蔽罩，不然会干扰周围的控制电路和通信电路。