IGBT—儲能端分析

功率電子器件是PCS的核心組成部分，主要實現電能的轉換和控制。而IGBT就是最為常用的功率器件，今天我們主要來學習IGBT。

什么是IGBT

絕緣柵雙極晶體管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）綜合了電力晶體管（Giant Transistor—GTR）和電力場效應晶體管（Power MOSFET）的優點，具有良好的特性，應用領域很廣泛；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發射極。

以上是官方介紹：絕緣柵雙極晶體管的英文簡稱叫做IGBT，IGBT綜合了GTR和MOSFET的優勢，GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。

簡單來說：IGBT是一種大功率的電力電子器件，是一個非通即斷的開關，IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。其最大的特點就是高壓、大電流、高速。

IGBT的組成

IGBT通常具有三個端子：集電極、發射極和柵極。集電極和發射極都帶有金屬層，而柵極上的金屬材料包含二氧化硅層。IGBT實際上是一個由四層半導體構成的器件，其中包括PNP和NPN晶體管的排列。

IGBT模塊的內部結構

1.散熱基板：位于底部，主要用于有效傳導IGBT開關產生的熱量。

2.DBC基板：全稱直接銅覆蓋基板，由三層組成。中間是陶瓷絕緣層，上下覆蓋著銅層。簡而言之，它是一個絕緣材料，在兩側貼上一層銅，并在正面刻蝕出導電圖案，背面與散熱基板直接連接，因此無需刻蝕。

3.IGBT芯片：是模塊的核心部分。

4.二極管芯片：電流方向與IGBT相反，用于反并聯。

5.鍵合線：常用于連接IGBT芯片、二極管芯片和DBC基板上的銅層。通常有兩種常用鍵合線材料，鋁線和銅線。

IGBT的****原理

IGBT的主要工作原理是通過控制門極電壓來控制空穴和電子在半導體層中的流動，從而控制器件的導通和關斷。

當門極電壓為正電壓時，門極區域的空穴和電子向晶體管的基極和發射極移動，形成電流通路，使IGBT導通。

當門極電壓為負電壓時，門極區域的空穴和電子向相反的方向移動，形成電流斷路，使IGBT關斷。

IGBT的優缺點

優點

1、處理電壓和電流的能力很強。

2、輸入阻抗極高。

3、用非常低的電壓切換非常高的電流。

4、沒有輸入電流和低輸入損耗，導通電阻非常低。

5、柵極驅動的要求較低

6、通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或稍微負電壓可以很容易地關閉它。

7、電流密度高，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

8、具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益，并且比BJT的開關速度更高。

9、可以使用低控制電壓切換高電流電平。

10、雙極性質，增強了傳導性，安全性更有保證。

缺點

1、開關速度低于 MOS管。

2、IGBT在沒有附加電路的情況下無法處理AC波形。

3、不能阻擋更高的反向電壓。

4、比 BJT 和 MOS管價格更高。

5、IGBT結構類似于晶閘管的P-N-P-N結構，所以它存在鎖存問題

IGBT在儲能方面的應用

30-60碳達峰碳中和政策帶動了儲能的大力發展，再次基礎上以光伏和風電為代表的新能源發電的裝機量大幅增長，太陽能發電中 DC-DC 直流轉換器和光伏逆變器均需要用到 IGBT 作為功率開關。逆變器的效率很大程度上取決于設計使用的元器件，元器件的性能可以由功率損耗來衡量，功率損耗分為導通損耗和開關損耗。

IGBT 適用于較低開關頻率和大電流的應用，大電流下 IGBT 的導通損耗比 MOSFET 更低，MOSFET 有能力滿足高頻、小電流的應用，具有更低的開關損耗，更適合開關頻率在 100KHz 以上的逆變器模塊。

從逆變器類別來看，由于微型及單相逆變器功率較小，一般采用 IGBT 單管方案為主，高功率三相逆變器 則采用 IGBT 模塊，低功率三相逆變器則兩種方案都有采用。