隨著上市的電動(dòng)汽車越來越多，普及電動(dòng)汽車有關(guān)知識(shí)顯得越來越來重要了。對(duì)汽車工程技術(shù)人員要求就高一些，什么是電機(jī)？什么是電機(jī)控制器？什么是逆變器？什么是IGBT？這些知識(shí)及應(yīng)用常識(shí)以前沒有學(xué)過，今天卻要求掌握，否則會(huì)成為外行，如果不及時(shí)補(bǔ)充這些知識(shí)，最后可能會(huì)被淘汰掉。

如今電動(dòng)汽車應(yīng)用越來越多的新知識(shí)、新技術(shù)，如：電機(jī)控制器或者逆變器型號(hào)、規(guī)格越來越多。要真正理解它的工作原理，必須要對(duì)其基礎(chǔ)理論進(jìn)行學(xué)習(xí)，有了基礎(chǔ)知識(shí)，再結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)照，基本上可以掌握電機(jī)控制器或者逆變器的工作原理，進(jìn)而就可以科學(xué)匹配設(shè)計(jì)。下面對(duì)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及應(yīng)用進(jìn)行討論，供初級(jí)工程技術(shù)人員參考。

一、“絕緣柵雙極型晶體管”的通俗理解

絕緣柵雙極型晶體管是《電工學(xué)》中的一個(gè)專業(yè)術(shù)語，如何正確理解有一定難度。筆者對(duì)個(gè)這術(shù)語進(jìn)行通俗的解釋。

①管：理解水管的功能即可。水從管子一頭流進(jìn)去，從另一頭流出。水是液體的，管子對(duì)水而言，就是導(dǎo)管。

②晶體管：水管子的材料有水泥的，也有用橡膠的等。晶體管的材料是晶體結(jié)構(gòu)的，電子可以這一“頭”流進(jìn)去，從另一“頭”流出。水管中是“空”腔，水才能流動(dòng)，晶體結(jié)構(gòu)材料的晶體“管”里也有“空”腔的，電子才能流動(dòng)。不過水管的“空”腔，肉眼可以看到，而晶體管的“空”腔，肉眼是看不到的。于是有把“頭”換成“極”，即可以這樣表述了，即電子可以這一“極”流進(jìn)去，從另一“極”流出。最典型是晶體二極管。二極管最大特點(diǎn)，只容許電子在里面的流動(dòng)是單向的（正向流動(dòng)），反向是流不通的。這個(gè)特性，對(duì)二極管而言，叫做單向?qū)ㄐ阅堋?/p>

④雙極型晶體管：把2個(gè)二極管的開關(guān)特性進(jìn)行組合起來，且進(jìn)行控制，可行實(shí)現(xiàn)電子在晶體管中的雙向流動(dòng)。好比水管中間裝一些三通，配合一些閥門，水的流向、流量可行進(jìn)行控制了。在二級(jí)管基礎(chǔ)進(jìn)行新組合，對(duì)雙極型晶體管而言，有了開關(guān)特性了。

⑤絕緣柵雙極型晶體管：絕緣柵簡(jiǎn)單理解是一個(gè)閥門。通俗的理解，是帶閥門控制的能控制電子雙向（多向）流動(dòng)的晶體管。

二、認(rèn)識(shí)絕緣柵雙極型晶體管

（1） 二極管

①不同二極管外形：外形有圓柱`圓球`半透明玻璃，現(xiàn)在有貼片，工業(yè)有鐵殼的，晶體二極管是用硅或鍺材料制造的半導(dǎo)體器件，它的內(nèi)部是一個(gè)具有單向?qū)щ娦缘腜N結(jié)。一頭是正極，一頭是負(fù)極。

圖1 不同二極管的外形

②二極管特性：正向?qū)ǎ聪蚪刂恋奶匦浴Ｒ活^是正極，一頭是負(fù)極，電流從正極流向負(fù)極。

③按用途分為：整流，穩(wěn)壓，開關(guān)，光敏，熱敏，發(fā)光等二極管。

（2）三極管

三極管比二極管多一個(gè)極（通俗地理解是三個(gè)引線，二極管是二個(gè)引線）。二極管正向?qū)?，反向截至的特性是材料特性。三極管是在二極管的特性上，有了控制特性，這是產(chǎn)品特性了。

①三極管外形及符號(hào)：

圖2 三極管外形及符號(hào)

②其開關(guān)原理

當(dāng)Vin為低電壓時(shí)，由于基極沒有電流，因此集電極亦無電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒有電流，而相當(dāng)于開關(guān)的開啟，此時(shí)三極管乃工作于截止（cut off）區(qū);

同理，當(dāng)Vin為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開關(guān)的閉合，此時(shí)三極管乃工作于飽和區(qū)（saturation）。

（3）場(chǎng)效應(yīng)晶體管

也叫電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種電壓控制器件，從外表來看，仍然是三根引線，場(chǎng)效應(yīng)晶體管已經(jīng)很多個(gè)PN結(jié)的集成電路了，其生產(chǎn)工藝比二、三管復(fù)雜多了。

①場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)、符號(hào)、集成板

圖3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)、符號(hào)、集成板

②場(chǎng)效應(yīng)晶體管

有自關(guān)斷能力，而且有驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度高、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)，其電流、熱容量小，耐壓低，易于驅(qū)動(dòng)和開關(guān)頻率可高達(dá)500kHz。

③場(chǎng)效應(yīng)晶體管基本用途

適于高頻化電力電子裝置，如應(yīng)用于DC/DC變換、開關(guān)電源、便攜式電子設(shè)備、航空航天以及汽車等電子電器設(shè)備中。

（4）絕緣柵雙極型晶體管

在業(yè)內(nèi)簡(jiǎn)稱：IGBT。二極管、三極管通常用在無線電路里，而IGBT用在高壓控制電路里?；纠斫馄涔δ芤彩强刂齐娐妨飨虻钠骷?。絕緣柵雙極型晶體管，集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、通態(tài)電壓低、能承受高電壓大電流等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于變頻器和其他調(diào)速電路中。

圖4 理想等效電路與實(shí)際等效電路

絕緣柵雙極型晶體管基本特性如下：

①靜態(tài)特性

IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。

②IGBT的開通過程、關(guān)斷過程

表1：IGBT的開通過程、IGBT關(guān)斷過程

圖5 IGBT的開通過程、IGBT關(guān)斷過程電氣變化特性

三、IGBT是應(yīng)用在高壓（高功率）電路變化的開關(guān)器件

過去的二（三）晶體管（集成塊）基本應(yīng)用在收音機(jī)、電視機(jī)等控制（變化）電路里。目前汽車低壓電路里依然大量使用二（三）晶體管（集成塊）等電子器件，但是新能源（電動(dòng)汽車）驅(qū)動(dòng)，是高壓（大功率）的，過去的二（三）晶體管（集成塊）基本就用不了。于是產(chǎn)生了IGBT，其基礎(chǔ)理論還是電子技術(shù)（模擬、數(shù)字的）。IGBT已經(jīng)是大功率的、大規(guī)模的集成電子器件了。發(fā)展新能源汽車，其中要大量應(yīng)用IGBT。沒有這個(gè)器件的支撐，沒有可能有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊。

目前中國(guó)發(fā)展汽車的一個(gè)嚴(yán)重的短板是，IGBT器件大部分是進(jìn)口的。電動(dòng)汽車工程師必須知道IGBT知識(shí)及應(yīng)用。中國(guó)目前正在追趕，尤其中車公司已經(jīng)有了可靠的產(chǎn)品面世，中車公司自己的新能源汽車用他們自己IGBT器件更多一些。中國(guó)長(zhǎng)期用外國(guó)公司IGBT器件，很難把控核心技術(shù)，成本優(yōu)勢(shì)不明顯。