IGBT背后的男人，彻底改变了新能源汽车，获巨额奖金

美国北卡罗来纳州立大学名誉教授 Bantval Jayant Baliga 因其在绝缘栅双极晶体管 (IGBT)的发明、开发和商业化方面的领导作用而获得认可，为此，他被授予 2024 年千禧技术奖，奖金为 100 万欧元。

自 20 世纪 80 年代初推出以来，硅 IGBT 一直是消费和工业应用中用于高效电源转换和电机控制的流行功率半导体器件。因此，IGBT 实现了效率的提高以及化石燃料消耗和成本的降低，彻底改变了电力行业。该技术在过去 30 年中将全球二氧化碳排放量减少了 820 亿吨以上（180 万亿磅），这是应对气候变化的一项巨大成就。“由于 IGBT，世界至少不必建造 600 座内华达州胡佛大坝大小的水力发电站。”

通用电气公司于 20 世纪 80 年代初首次展示了 IGBT，在过去的 40 多年中，它得到了长足的发展。随着设计、封装和热管理方面的进步，硅基 IGBT 在高电流和高电压方面都取得了长足进步，可靠性也更高。击穿电压已从 600 V 提高到 6500 V，电流处理能力也从 10 A 提高到 2000 A 以上。如今，IGBT 是电动汽车 (EV) 和混合动力汽车以及消费和工业应用中使用的大多数其他电动机中必不可少的功率晶体管。它遍布世界各地，在医院部署的 X 光机、CAT 扫描仪和 MRI 单元等医疗诊断设备中、在我们厨房中的微波炉和电磁炉中、在家庭和建筑物的空调和制冷设备中、在便携式除颤器中，它都降低了能耗，使电力使用更加可靠。这些设备都是由 IGBT 实现的，现在每年都在世界各地挽救无数生命。现代 IGBT 的性能容量已经扩展到如今基于 IGBT 的电源转换器和逆变器几乎占据了所有主要应用的主导地位，额定功率在 1kW 到 10 MW 之间。

根据市场分析师 Verified Market Research 的数据，2024 年 IGBT 市场规模价值 83 亿美元，预计到 2031 年将达到 168.4 亿美元，2024 年至 2031 年的复合年增长率为 9.25%。推动这一市场发展的关键因素包括可再生能源的日益普及、电动汽车的增长和交通电气化、工业自动化和变频驱动器的进步、智能电网和先进的电源管理系统。

Baliga教授在一份声明中表示：“能够获此殊荣，我感到非常兴奋。我尤其高兴的是，千年技术奖将使我的创新受到关注，因为 IGBT 是一种隐藏在社会视线之外的技术。它使大量产品成为可能，这些产品改善了全球数十亿人的舒适度、便利性和健康，同时减少了二氧化碳排放，以缓解全球变暖。向公众介绍这一影响深远的创新将展示现代技术对人类的改善。”

Baliga 教授及其团队目前正在研究两项新发明，以进一步提高太阳能发电、电动汽车和人工智能服务器电力输送领域的效率。Baliga 教授表示：“我最近的一项发明是 Baliga 短路改进概念 (BaSIC)，旨在消除工业和电动汽车应用的电机驱动器中使用的碳化硅 (SiC) 功率 MOSFET 短路耐受时间较差的障碍。我的第二项新发明是双向场效应晶体管 (BiDFET)，它使矩阵转换器能够用于电力电子应用。与现有的电压源逆变器相比，矩阵转换器在尺寸、效率和可靠性方面实现了前所未有的改进。电力电子专家表示，这将对电力输送和管理产生革命性的影响。”

芬兰技术学院（该奖项的颁发机构）董事会主席 Minna Palmroth 教授表示：“IGBT 已经并将继续对可持续发展产生重大影响，提高全球生活水平，同时减轻环境影响。应对全球变暖的主要解决方案是电气化和转向可再生能源。IGBT 是解决这些问题的关键技术。” Palmroth 补充道：“我特别高兴的是，该奖项阐明了一项创新，它既至关重要，又具有巨大的影响力，但绝大多数人并不了解。我认为这是强调科学和创新力量的绝佳方式。”

同样，千年技术奖国际评选委员会主席 Päivi Törmä 教授指出：“全球三分之二的电力用于驱动消费和工业应用中的电机。Baliga 教授的创新使我们能够高效地利用电力发展社会，同时大幅降低能源消耗。”电力电子是任何现代社会的关键支持技术，其中流程和能源系统的自动化发挥着越来越重要的作用。在过去的 40 年里，直到今天，IGBT 仍然是最重要的功率半导体器件。”

 Baliga的荣耀 

这并不是Baliga的首次获奖，2016 年，Baliga 入选美国国家发明家名人堂，福布斯杂志将他评为世界上负碳足迹最大的人。

Baliga 拥有 123 项美国专利，其中包括许多其他已商业化的发明。分栅功率 MOSFET 被广泛用于笔记本电脑、个人电脑和服务器。他的碳化硅发明（包括 JBS 整流器和屏蔽通道功率 MOSFET）被用于各种最先进的电力管理技术。

Baliga是美国国家工程院院士（1993 年）、欧洲科学院院士（2005 年），也是IEEE 院士（1983 年）。

他曾获得 1991 年 IEEE 纽厄尔奖、1993 年IEEE 莫里斯·N·利布曼纪念奖、1998 年 IEEE JJ·埃伯斯奖和 1999 年IEEE 拉姆奖章。

1997 年，《科学美国人》杂志在纪念晶体管发明 50 周年时，将他列为“半导体革命八大英雄”之一。

2011年，他被美国总统奥巴马授予美国工程师最高奖项——国家技术与创新奖章。

2014年，他因“发明、实现和商业化功率半导体器件，为社会带来广泛利益”而被授予IEEE荣誉勋章。 

2015 年，他因发明、开发和商业化绝缘栅双极晶体管而获得全球能源奖，这是能源控制和分配领域最重要的创新之一。

2016 年，Baliga入选国家发明家名人堂。

 Baliga发明IGBT的历史 

在Baliga撰写的《IGBT: The GE Story [A Look Back]》一文中，介绍了 GE 的 IGBT 概念、开发和商业化背后的历史。Baliga在现有的功率 MOSFET 生产线上完美地开发了 IGBT 产品，并在掩模和制造工艺设计方面一丝不苟地关注细节，这对其成功至关重要。成功抑制了 IGBT 中的寄生晶闸管闩锁问题，并为 MOS 门控器件创建了电子辐照寿命控制过程，使 IGBT 能够方便地定制以用于广泛的应用。通用电气为消费、工业和照明行业生产的广泛产品组合为 IGBT 技术的广泛使用和影响提供了独特的环境。

Baliga于 1974 年加入 GE 研发中心。第一个任务是在 2 英寸直径的硅晶片上开发阻断电压能力为 3000 V 的晶闸管。“我意识到晶闸管的阻断电压能力和栅极驱动电流必须相互权衡。能够承受较大 dV/dt 的设备需要更大的栅极触发电流。增加晶闸管的 dI.dt 能力需要栅极接触分布，例如渐开线结构，从而产生更大的驱动电流。这些经验在构思 IGBT 结构时非常有价值。”

1977 年 7 月 26 日，Baliga向 GE 提交了一份关于晶闸管 MOS 门控的专利披露，这也被视为GE IGBT构想和实验演示的关键。

1980 年 10 月，Baliga提议开发和商业化 IGBT。在GE于1983年6月发布IGBT产品后，GE给包括富士电机、日立、三菱和东芝等公司授权IGBT。

1987 年，杰克·韦尔奇决定退出半导体业务。1988 年Baliga离开了通用电气，在北卡罗来纳州立大学成立了功率半导体研究中心 (PSRC)，开始了第一个专注于学术功率半导体器件研究的活动。20 世纪 90 年代，PSRC 成功开发了首批高性能碳化硅肖特基整流器和逆变/累积通道功率 MOSFET，为电力电子性能的下一次飞跃奠定了基础。

 IGBT在汽车中的应用 

在传统燃油车领域，IGBT就已经发挥了作用。比如在 HID 灯镇流器中，IGBT 通常用于 H 桥配置，以管理灯在点火、预热和运行模式下的运行。在直接燃油喷射应用中，IGBT 控制精密喷射器内压电元件的高压执行器。

而到了电动汽车时代，IGBT扮演着绝对至关重要的角色，是核心技术部件。IGBT在电动汽车中占成本近10%，在充电桩中占约20%。它在电动汽车领域的主要应用领域如下：

电机驱动：IGBT 在电控系统中发挥着重要作用，通过精确控制电机的导通状态，实现电机的精确调节。这提高了车辆的动力和能效。IGBT 的高功率密度和可控性使其成为电机控制的理想选择，可实现更高效、更灵活的驾驶体验。

电池管理系统：IGBT 是电池管理系统中的关键元件，电池是电动汽车的储能单元，IGBT 的可控性和高输入阻抗使其成为电池充放电过程的理想调节器，通过精确控制 IGBT 的开关操作，实现快速充电、高效放电、限流、温度保护和电池状态监控，确保安全，延长电池寿命，提高安全性能。

辅助电源系统：在辅助系统中，IGBT 控制电池冷却系统、再生制动系统和辅助电源系统，以提高车辆系统的效率和可靠性。在电池冷却系统中，IGBT 主要用于实时监控和控制电池温度。通过传感器获取温度信息，IGBT 可以在必要时调整冷却系统的运行。

制动系统：制动过程中，车轮运动产生的机械能被转换成电能。通过 IGBT 控制的逆变器操作，该电能被传输到储能设备，通常是电池。此过程存储制动过程中产生的能量，防止浪费。随后，这些存储的能量可用于提供额外的动力，从而增加电动汽车的续航里程。