高铁中的 IGBT 是什么？都在哪些领域有应用？
在高铁领域，IGBT是驱动和控制牵引电机（通常是交流异步电机或永磁同步电机）的核心部件，是牵引变流器（也称牵引系统）的关键组成部分。
下面我们来详细讲述一下IGBT在高铁中的作用以及应用领域：
IGBT在高铁中的核心作用：牵引变流器
高铁的动力系统通常是电力牵引，即通过电网供电给列车，然后由列车上的牵引系统将电能转换为驱动车轮旋转的机械能。而IGBT正是这个牵引变流器中至关重要的“开关”和“调控”部件。
一个典型的高铁牵引变流器（也称为主斩波器或逆变器）通常由以下几个主要部分组成，而IGBT的身影无处不在：
1. 接触网/受电弓 整流器模块：
功能： 从接触网获取高压交流电（如25kV、50Hz），然后通过整流器将其转换为直流电。
IGBT的应用（较少直接用于主整流）： 在某些先进的设计中，可能会使用带有PFC（功率因数校正）功能的有源整流器，这种整流器就可能用到IGBT来控制输入电流波形，提高功率因数。但传统的变压器+晶闸管（SCR）整流器也存在。
2. 直流中间环节 (DC Link)：
功能： 将整流后的直流电储存起来，并提供一个稳定的直流电压源供后续的逆变器使用。通常会配置大容量的电容器或电抗器。
IGBT的应用（间接）： 直流环节本身不直接使用IGBT，但它是IGBT工作的必要条件。
3. 逆变器模块 (DCAC Converter)：
功能： 这是IGBT的核心应用场景。逆变器将直流中间环节的直流电转换成可调频率和可调电压的交流电，用于驱动牵引电机。
IGBT的作用： 逆变器通常采用脉冲宽度调制 (PWM) 技术来控制输出交流电的电压和频率。IGBT作为大功率开关器件，通过高频地开通和关断，精确地控制输出电压的幅值和相位。通过改变PWM的调制策略，可以实现对牵引电机速度和扭矩的精确控制。
具体来说： 一个典型的三相逆变器会包含6个IGBT模块（每相两个，一个高边开关，一个低边开关）。通过控制这些IGBT的开关顺序和占空比，就可以生成近似正弦波的交流电压输出给牵引电机。
4. 电机模块：
功能： 接收来自逆变器的交流电，驱动车轮旋转。
IGBT的应用（驱动）： IGBT是逆变器驱动电机的主要器件。
总而言之，IGBT在高铁牵引变流器中的核心作用就是实现DC/AC（直流到交流）的能量转换，并精确控制输出交流电的频率和电压，从而实现对牵引电机速度和扭矩的精细调控。
IGBT在高压大功率开关应用中的优势
为什么在高铁这种高压大电流的场合，IGBT如此重要呢？主要得益于其优越的性能：
高电压、大电流承受能力： 现代IGBT可以承受数千伏的电压和数百安培的电流，非常适合高铁这种需要强大动力的应用。
高开关频率： IGBT的开关速度可以达到几十kHz甚至更高，这使得采用PWM控制的逆变器能够生成更平滑的输出波形，减少对电机的谐波干扰，提高能量转换效率。
易于驱动： IGBT的栅极是绝缘的，只需要相对较低的电压信号就可以驱动，与MOSFET类似，这大大简化了驱动电路的设计，降低了驱动功率。
低导通压降： 在导通状态下，IGBT的压降较低，意味着在传递大电流时产生的导通损耗较小，提高了整体的能量效率。这一点在高能耗的火车上尤为重要，能够减少能量浪费，延长续航里程。
良好的热稳定性： IGBT的导通损耗与温度的关系相对较好，不易发生热失控。
IGBT在高铁中的应用领域（不仅仅是牵引）
虽然牵引变流器是IGBT在高铁中最核心的应用，但IGBT的优点使其在高压大电流的电力电子领域有广泛的用途，在高铁上，除了牵引系统，还可以应用于以下领域：
1. 辅助供电系统 (Auxiliary Power Supply Unit APSU)：
功能： 为列车上的其他设备提供电力，例如空调、照明、车载通信系统、车门控制、广播系统、厨房设备等。
IGBT的应用： 辅助供电系统通常需要将来自接触网的电能（或直流中间环节的电能）转换为不同电压、不同频率的交流或直流电，以满足各种设备的需求。这通常涉及到DC/DC、DC/AC的转换，IGBT在这些DCAC逆变器或DCDC斩波器中发挥着关键作用，实现电能的变换和稳定输出。
2. 制动斩波器/再生制动系统 (Braking Chopper/Regenerative Braking System)：
功能： 当列车减速或制动时，牵引电机可以反向工作，将机械能转换成电能。这些电能需要被消耗或回馈到电网。
IGBT的应用：
消耗制动： 当电网无法接收回馈的电能时（例如，没有其他列车在附近可以吸收能量，或者电网容量不足），制动斩波器会将产生的电能通过电阻消耗掉。IGBT作为大功率开关，控制着制动电阻的通断，从而实现对制动能量的有效控制和释放。
再生制动： 在某些情况下，制动产生的电能可以直接回馈到电网。这需要更复杂的变流器系统，其中也包含了IGBT来控制电能的转换和回馈。
3. 电力转换设备（例如，用于特殊用途的车辆或设备）：
虽然不常见于标准客运列车，但在一些特殊用途的铁路车辆或设备（如轨道检测车、维护车辆等）中，可能需要将车载发电机或电池组产生的电能转换为驱动设备所需的特定电压和频率的电能，IGBT在这类电源转换器中也会有所应用。
总结来说，IGBT在高铁系统中是一个不可或缺的“心脏”，它主要负责将电网的电能高效、精确地转换为驱动列车前进所需的动力电能。而其优越的性能也使得它在列车的其他电力子系统中，如辅助供电和制动系统中，扮演着重要的角色。
随着技术的发展，更高性能、更高集成度的IGBT模块（如智能功率模块 IPM）以及其他功率半导体器件（如碳化硅 SiC MOSFET）也在逐步应用于高铁领域，以进一步提高能效、减小体积和提高可靠性。但IGBT在相当长一段时间内仍将是高铁核心动力系统的主力器件。
网友意见
半导体小兵来答一下，算是了解一二，先说一下市场应用，再说一下技术发展，最后再讲一下相关厂商，毕竟我是做销售的。
市场应用
2017-2022 年全球 IGBT 市场规模 CAGR 达 7.04%，中国市场主要应用包括新能源汽车、工控、消费电子。受益于工业控制及电源行业市场的 逐步回暖，以及下游的变频家电、新能源汽车等领域的迅速发展，全球及 中国 IGBT 市场规模持续增长。根据 WSTS 数据，预计 2022 年全球 IGBT 市场规模将达到近 57 亿美元，2017-2022 年 CAGR 达到 7.04%。
从下游应用领域规模占比来看，2020 年中国 IGBT 市场应用以新能源汽车、工业控制及消费电子类为主，占比分别为 30%、27%及 22%。
继续详细聊聊
IGBT全称绝缘栅双极晶体管，兼具 MOSFET 及 BJT 两类器件优势，是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
IGBT 具有电导调制能力，相对于 MOSFET 和双极晶体管具有较强的 正向电流传导密度和低通态压降，因此兼具有 MOSFET 的高输入阻抗 MOSFET 器件驱动功率小、开关速度快、BJT 器件饱和压降低、电流密度 高和 GTR 的低导通压降的优点。
至今已历时超30 年，IGBT发展至第七代，各方面性能不断优化。目前 为止，IGBT 芯片经历了七代升级：衬底从 PT 穿通，NPT 非穿通到 FS 场 截止，栅极从平面到 Trench 沟槽，最后到第七代的精细 Trench 沟槽。
随着技术的升级，芯片面积、工艺线宽、通态功耗、关断时间、开关 功耗均不断减小，断态电压由第一代的600V升至第七代7000V。
目前，IGBT 作为新型功率半导体器件的主流器件，其应用领域包含 工业、 4C（通信、计算机、消费电子、汽车电子）等传统产业领域，以 及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。
低压 IGBT 多用于消费、汽车、家电领域，中高压 IGBT 多用于轨 交、智能电网领域。IGBT 下游应用领域广泛，按电压等级划分，超低压 （400-500V）IGBT 主要应用于消费电子领域，低压（600-1350V）IGBT 多应用于电动汽车、新能源、智能家电领域，中压（1400-2500V）IGBT 多应用于轨道交通、新能源发电领域，高压（2500-6500V）IGBT 多应用 于轨道牵引、智能电网领域。
相关厂商
IGBT 市场英飞凌市占率全面领先，2020 年斯达半导跻身 IGBT 模块 市场前六。根据 Omdia 数据，2020 年 IGBT 分立器件市场及 IGBT 模块市 场规模前三的企业均为英飞凌、富士电机及三菱。其中英飞凌 IGBT 市场 市占率全面领先，IGBT 分立器件和 IGBT 模块的市占率分别为 29.3%和 36.5%。
在 IGBT 分立器件市场中，中国企业士兰微进入全球前十，2020 年市 场份额为 2.6%；在 IGBT 模块市场中，2020 年斯达半导跻身全球第六，市 场份额为 3.3%。
以上，谢谢。
这个问题我想分两部分来回答。我估计题主以及很多点进这个问题的读者和当初的我一样，是早在深入电路理论之前，就通过铁道、电动汽车等领域，先对IGBT这个词有了耳闻，于是产生了这个问题。所以我想干脆第一部分先来讲应用，我会尽量讲的通俗一些。第二部分再简单的讲一下IGBT本身，可能需要稍微学过一点模拟电路的知识后才能理解。
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第一部分：IGBT的应用
从功能上来说，IGBT就是一个由晶体管实现的电路开关。当其导通时，可以承受几十到几百安培量级的电流；当其关断时，可以承受几百至几千伏特的电压。
家里的电灯开关是用按钮控制的。IGBT作为晶体管的一种，它不用机械按钮，而是由别的电路来控制的。具体点说，IGBT的简化模型有3个接口，有两个（集电极、发射极）接在强电电路上，还有一个接收控制电信号，叫作门极。给门极一个高电平信号，开关（集电极与发射极之间）就通了；再给低电平信号，开关就断了。给门级发出控制指令的电路称为控制电路，你可以理解为是一种“计算机”，只不过实际用的“计算机”通常是单片机或者是叫作DSP的微处理器，擅长处理数字信号，比较小巧，甚至对于一些很基本的应用，可能靠一些简单的芯片和电路就可以实现控制，无需编程。但要注意的是，门级所谓数字信号的电压也需要10到20伏特，所以在控制电路和IGBT之间还需要一个小的“驱动电路”来进行信号的转换。
这种可以用数字信号控制的强电开关还有很多种。作为其中的一员，IGBT的特点是，在它这个电流电压等级下，它支持的开关速度是最高的，一秒钟可以开关近万次。换言之，IGBT开关频率可以达到10kHz级别。GTO以前也用在轨道交通列车上，但是GTO开关速度低，所以现在只有在最大电压电流超过IGBT承受范围的场合才使用。IGCT本质上也是GTO，不过结构做了优化，其开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间。另一方面，比IGBT开关速度更快的是大功率MOSFET，但其支持的最大电压电流均小于IGBT。
要这么快的开关干什么用？常见的强电只有50Hz的交流电，变压器能变它的电压，但是不能改变它的频率，更不能把它变成直流；另一方面，光伏电站发出的直流电，也无法转换为交流。而利用IGBT这种开关，人们可以设计出一类电路，通过控制IGBT，把电源侧的交流电变成给定电压的直流电，或是把各种电变成所需频率的交流电。这类电路统称电力电子电路，由电力电子电路做成的设备称为变换器。特别的，把交流电变成直流电的电路叫做整流器，把直流电变成交流电的叫做逆变器，而直流变直流的电路其实是花样最多的，一般直接称为变换器。
怎么实现的？需要讲一下PWM（脉宽调制）的概念。这个道理可以用照明灯接触不良时快速闪烁来类比。闪烁的灯看起来没有正常的灯亮，这是因为闪烁的灯亮0.1秒，又灭0.1秒，总共0.2秒的时间内它只发出了正常灯0.1秒的光能，所以显得暗。功率电路的本质是传输电能，所以也可以利用这个原理。如果用电器前0.2秒接了300V的电压，后0.1秒接了0V的电压，那在0.3秒内，它就等效于用电器两端始终接着200V的电压。我们管这个只持续0.2秒的300V电压叫脉冲，通过改变脉冲在0.3秒内占据的时间（也就是脉宽），就可以实现等效电压在这个时刻内成为0~300V内的任何一个值，所谓的脉宽调制一词就是这么来的。电压一高一低变化的总时间越短，从宏观上看电压越接近等效电压。
如果你仔细看了上一段的说明，你会发现实现这个功能需要至少两个开关，一个接在用电器和300V之间，一个接在用电器和0V之间。两个开关交替导通才可以实现PWM，这和家里的电灯只有一个开关是不太一样的。当然，在很多应用中，可以将其中一个开关替换为二极管，另外一个开关的通断可以自动控制二极管的通断。
总之，我现在有了电压、频率都受我控制的强电了。这个强电就可以用来驱动高铁的电机。现在高铁使用的都是交流电机，它结构简单且省电，但是转速很难调整。好在它的转速和输入交流电源的频率有很密切的关系，所以就可以用使用IGBT的变换器搞出电压、频率受控的强电，来灵活控制电机的转速。反映到高铁上，就是高铁列车的车速。这就是所谓的变压变频控制（VVVF）。
除了高铁，像电动汽车、变频空调、风力发电机等很多用到交流电机的场合，都用得到IGBT及配套的这类电路来控制电机。光伏发电、电力储能等领域，主要用IGBT进行交流电、直流电之间的转换。
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第二部分：IGBT器件
IGBT的特点可以从其全称中了解一二：绝缘栅双极晶体管。
所谓绝缘栅，是指IGBT与MOSFET类似，作为控制的门级和功率电路部分是绝缘的，之间没有通过导体或半导体电气连接。门级只要出现一定的电压，在半导体内部形成一定的电场，就可以实现IGBT的导通。
有了绝缘栅，在开关时，只需要在IGBT切换状态的瞬时间内给门级注入/抽取一点能量，改变内部电场，就可以改变IGBT的工作状态。这个过程很容易做的非常快速，这也是IGBT、功率MOSFET的最大开关速度较高的原因之一。相比之下，普通的三极管（BJT）中，控制极需要有持续的电流才能维持导通，而且当主功率电路中的电流较大时，这个电流也必须相应地变得比较大才能支持这样的电流。
所谓双极，是指IGBT导通时，半导体内的电子和空穴两种粒子都参与电流传导。就像教科书里二极管导通时电压总是0.7V一样，利用电导调制现象，IGBT导通时的电压相对于大电流不敏感。相比之下，功率MOSFET作为单极器件，其导通时类似一个小电阻，小电阻上的电压和电流呈线性关系，因此当电流超过一定程度时，功率MOSFET上消耗的电能（电压和电流的乘积）就太大了，限制了MOSFET的最大电流。另一方面，减小MOSFET中小电阻的努力会希望MOSFET的两个功率极不要相隔太远，但这也制约了MOSFET承受电压的能力。
所谓晶体管，其与GTO等晶闸管有一定的区别。晶闸管的内部结构类似于两个晶体管，依靠这两个晶体管之间相互放大，实现了IGBT等晶体管难以实现的超大电流的传导。但其问题在于关断器件时，需要抽取很大的电流，让两个晶体管退出相互放大的状态。这一过程需要的瞬时功率大，速度也比较慢，所以关断晶闸管的过程会损失比较多的能量。这也是为什么GTO支持的开关频率会明显小于IGBT。
IGBT的结构可简化视为一个PNP型三极管和一个N-MOSFET的组合。门及信号直接控制MOSFET的通断，当MOSFET导通时，会持续向PNP型三极管的基极抽取电流，实现PNP三极管的导通。当MOSFET关断时，会掐断这一电流，从而关断PNP三极管。
IGBT是非常成功的电力电子器件之一。当然，被IGBT一定程度取代的GTO也很成功，至今在电网级别的应用中还很广泛。相比之下，还有很多不为人知的器件都成为了历史中的过客。不过，近年宽禁带半导体器件技术取得了不少突破，其中碳化硅（SiC）材料耐压、耐温更高，因此用碳化硅做成的MOSFET就可以直接媲美IGBT的电压、电流承载能力，而无需再使用更为复杂的IGBT结构。在电动汽车、轨道交通领域，商品化的基于SiC-MOSFET的变换器已经投入市场了。当然，理论上碳化硅材料和IGBT结构也是可以结合的，其电压、电流也会上升一个等级，或有望挤占目前硅基GTO的市场。
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注：原答案发布于 2014-08-19，2018-11 第一次大修。
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