IGBT—储能端分析

功率电子器件是PCS的核心组成部分，主要实现电能的转换和控制。而IGBT就是最为常用的功率器件，今天我们主要来学习IGBT。

什么是IGBT

绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）综合了电力晶体管（Giant Transistor—GTR）和电力场效应晶体管（Power MOSFET）的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。

以上是官方介绍：绝缘栅双极晶体管的英文简称叫做IGBT，IGBT综合了GTR和MOSFET的优势，GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

简单来说：IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。其最大的特点就是高压、大电流、高速。

IGBT的组成

IGBT通常具有三个端子：集电极、发射极和栅极。集电极和发射极都带有金属层，而栅极上的金属材料包含二氧化硅层。IGBT实际上是一个由四层半导体构成的器件，其中包括PNP和NPN晶体管的排列。

IGBT模块的内部结构

1.散热基板：位于底部，主要用于有效传导IGBT开关产生的热量。

2.DBC基板：全称直接铜覆盖基板，由三层组成。中间是陶瓷绝缘层，上下覆盖着铜层。简而言之，它是一个绝缘材料，在两侧贴上一层铜，并在正面刻蚀出导电图案，背面与散热基板直接连接，因此无需刻蚀。

3.IGBT芯片：是模块的核心部分。

4.二极管芯片：电流方向与IGBT相反，用于反并联。

5.键合线：常用于连接IGBT芯片、二极管芯片和DBC基板上的铜层。通常有两种常用键合线材料，铝线和铜线。

IGBT的****原理

IGBT的主要工作原理是通过控制门极电压来控制空穴和电子在半导体层中的流动，从而控制器件的导通和关断。

当门极电压为正电压时，门极区域的空穴和电子向晶体管的基极和发射极移动，形成电流通路，使IGBT导通。

当门极电压为负电压时，门极区域的空穴和电子向相反的方向移动，形成电流断路，使IGBT关断。

IGBT的优缺点

优点

1、处理电压和电流的能力很强。

2、输入阻抗极高。

3、用非常低的电压切换非常高的电流。

4、没有输入电流和低输入损耗，导通电阻非常低。

5、栅极驱动的要求较低

6、通过施加正电压可以很容易地打开它，通过施加零电压或稍微负电压可以很容易地关闭它。

7、电流密度高，使其能够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的开关速度更高。

9、可以使用低控制电压切换高电流电平。

10、双极性质，增强了传导性，安全性更有保证。

缺点

1、开关速度低于 MOS管。

2、IGBT在没有附加电路的情况下无法处理AC波形。

3、不能阻挡更高的反向电压。

4、比 BJT 和 MOS管价格更高。

5、IGBT结构类似于晶闸管的P-N-P-N结构，所以它存在锁存问题

IGBT在储能方面的应用

30-60碳达峰碳中和政策带动了储能的大力发展，再次基础上以光伏和风电为代表的新能源发电的装机量大幅增长，太阳能发电中 DC-DC 直流转换器和光伏逆变器均需要用到 IGBT 作为功率开关。逆变器的效率很大程度上取决于设计使用的元器件，元器件的性能可以由功率损耗来衡量，功率损耗分为导通损耗和开关损耗。

IGBT 适用于较低开关频率和大电流的应用，大电流下 IGBT 的导通损耗比 MOSFET 更低，MOSFET 有能力满足高频、小电流的应用，具有更低的开关损耗，更适合开关频率在 100KHz 以上的逆变器模块。

从逆变器类别来看，由于微型及单相逆变器功率较小，一般采用 IGBT 单管方案为主，高功率三相逆变器 则采用 IGBT 模块，低功率三相逆变器则两种方案都有采用。