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。
通过较高电压直流电和PWM方法，得到任意较低电压直流电的示意图
通过直流电和PWM方法，得到不同电压、不同频率交流电的示意图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结构示意图，可简化为一个PNP型三极管和一个N-MOSFET的组合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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题主问了两个问题。虽然是从高铁出发，但是IGBT在新能源车上的应用，也非常广泛。我来分别回答一下这两个问题。
IGBT到底是个撒？
英文全称为Insulated Gate Bipolar Transistor。这一长串英文单词，是不是好像除了一个Gate其他都不太好认？
你可以把他，当做是一种电路的开关，一种可以人为精确控制的电路开关，并且开和关的速度可以达到每秒上万次。从外观上看，大概是这个样子的。
光看这个外观，肯定不够解释这到底是个啥。这个动画视频，用三分钟说清了IGBT的具体原理。
至于为什么我们需要有这样功能的开关，可以拉到文末看第二部分——
三分钟看懂 IGBT原理动画解析
不点开视频的话，你也可以通过下面的文字了解——
IGBT的雏形是二极管，下面我们由浅及深，逐步介绍IGBT有趣的工作原理。
1 二极管的工作原理
二极管由半导体材料比如硅Si制造出来，Si的价电子层有四个电子，会跟相邻的四个Si原子形成共价健。电流的传导需要自由电子，而共价键比较稳定，几乎没有多余电子。怎么办呢？科学家想出一个办法——掺杂。比如用价电子为5的磷P置换Si，自由电子产生了。
掺杂P后，多出一个绿色的就是自由电子光有电子没有用，半导体需要用价电子为3的硼B置换另一块Si，空穴产生了。就这样，萝卜和坑都有了。
掺杂B后，缺失了一个电子，就是所谓的“空穴”前者被称为N型半导体，后者被称为P型半导体。将N型和P型半导体拼在一起，二极管就诞生了。在两种半导体的交界线，有趣的事情发生了。交界处的空穴和电子，在相互吸引下，“牵手”成功。
同时因为电子的离开，会使N部分边缘轻微带正电。相反，P部分边缘带负电。产生的内电场（又称势垒）会阻止任何一个电子进一步迁移。因此断电状态下，二极管内是没有电流的。
下面，我们给二极管接上电源。此时电源吸引电子和空穴到两个极端，无法有电流产生，也就是电路断开。
如果反转电源，又会发生什么？
假设电源有足够电压，能够克服内电场的阻挡，电子会越过势垒，跳到P型的空穴里，并逐渐移动到外部电路，即电路接通。此时外部电压也被称为二极管的正向偏压。
这种材料存在导通和不导通两种状态，而且可以人为控制，所以被成为“半导体。”接下来，难度有所升级哦。
2、MOSFET的工作原理
MOSFET，又简称MOS管，金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管，有NPN型和PNP型。我们以NPN型为例，看看电路是如何接通和断开的。
和二极管相同，MOS管的N部分、P部分交界处也会产生内电场，阻止电子扩散，此时没有电流。
下面我们接通电源，底部N部分电子向正极移动，空穴向相反方向移动，底部N与P交界处内电场持续增大，即电路断开。反向接通电源，也是如此，在上端的N型半导体与P型半导体交界处，内电场增大，电路依旧处于断开状态。那么，怎么才能让电路接通呢？
MOSFET的剖面大概是这个样子的
这个结构无论正反接电压，都无法使电路导通
工程师在P部分上方加入金属板和绝缘板，又称为栅级。
源极与漏极电压不变，栅源加正电压。栅极将P部分电子吸引到绝缘板附近，空穴被填充，此处电位逐渐变化到和两旁N部分相同，于是一条通道打开了。
之后电子在源极、漏极电压驱动下运动，产生电流，电路接通。
如果降低栅极电压，通道关闭，电路也就断开了。升高栅极电压，电路接通；降低栅极电压，电路断开。
栅极的存在，使得MOS管只需要很小的驱动功率和很低的电压，就可以控制大功率大电压的电路。而且可以实现很快的速度。我们理想中的开关管已经产生了。
3、 IGBT的区别
其实IGBT的结构和MOS管非常接近，只是有时候，MOSFET支持的电压还不够高，电流还不够大。电压乘以电流等于功率，也就是MOSFET控制的电路，功率还不够高。此时需要背面增加N+和P+层。
这就是IGBT的剖面（原理）图“+”意味着更高的自由电子或者空穴密度。从而IGBT在保留MOS管优点的同时，增加了载流能力和抗压能力。
这样，IGBT就可以承担新能源车上交直流转换、高低压转换的繁重而精确的工作了。
第二个问题，IGBT在哪里有应用？
交流电和直流电各有优势，交流电适合发电站发电，且可以通过电磁感应简单地变换电压；直流电则适合使用化学电池储存。但在半导体功率开关诞生之前，两者之间无法自由且高效地互相转换。所以在爱迪生和特斯拉的时代，两位科学巨人在道路选择的问题上发生了很大的分歧。
自从有了诸如IGBT的功率半导体开关，人们就能通过PWM脉宽调制的方式，配合一定的简单电路，让电能在交流和直流之间自由转换，并且控制交直流的电压，以及交流电的频率——关键效率还很高，不会损失很多能量。
如果你不了解这方面的内容，下面我的这篇文章和视频，应该可以让你三分钟快速了解。
绿芯君：把直男掰弯需要几步？视频解析直流电如何变成交流电zhuanlan.zhihu.com
文中为了便于理解，举例的是最简单的单相桥式电路。工程师使用更复杂的三相桥式电路，还可以任意控制三相交流电的每相相位，从而实现对于使用交流电的电机，进行精确控制。
生活中的许多场合都会用到功率半导体开关——从手机充电器、到微波炉、变频空调/冰箱等家电，到新能源汽车、高铁，超高压输电线路的变电站，甚至有可能应用在航母的电磁弹射等。
作为功率半导体开关中，效率与控制精度较高的一类，IGBT的制造工艺更为复杂，耐压程度更高，成本也会相对较高。所以一般都应用在相对比较高级、能够承担更高成本的场合——
- 比如对控制精度要求很高、输出实时变化的新能源车上的电机控制器、充电器；
- 对耐压和输出精度都要求较高的高铁电机控制器；
- 对耐压要求很高的变电站升降压电路等场合。
至于更一般的场合，一般会用成本更低的MOSFET管、晶闸管等。
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