美國北卡羅來納州立大學名譽教授 Bantval Jayant Baliga 因其在絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的發明、開發和商業化方面的領導作用而獲得認可，為此，他被授予 2024 年千禧技術獎，獎金為 100 萬歐元。

自 20 世紀 80 年代初推出以來，硅 IGBT 一直是消費和工業應用中用于高效電源轉換和電機控制的流行功率半導體器件。因此，IGBT 實現了效率的提高以及化石燃料消耗和成本的降低，徹底改變了電力行業。該技術在過去 30 年中將全球二氧化碳排放量減少了 820 億噸以上（180 萬億磅），這是應對氣候變化的一項巨大成就。“由于 IGBT，世界至少不必建造 600 座內華達州胡佛大壩大小的水力發電站。”

通用電氣公司于 20 世紀 80 年代初首次展示了 IGBT，在過去的 40 多年中，它得到了長足的發展。隨著設計、封裝和熱管理方面的進步，硅基 IGBT 在高電流和高電壓方面都取得了長足進步，可靠性也更高。擊穿電壓已從 600 V 提高到 6500 V，電流處理能力也從 10 A 提高到 2000 A 以上。如今，IGBT 是電動汽車 (EV) 和混合動力汽車以及消費和工業應用中使用的大多數其他電動機中必不可少的功率晶體管。它遍布世界各地，在醫院部署的 X 光機、CAT 掃描儀和 MRI 單元等醫療診斷設備中、在我們廚房中的微波爐和電磁爐中、在家庭和建筑物的空調和制冷設備中、在便攜式除顫器中，它都降低了能耗，使電力使用更加可靠。這些設備都是由 IGBT 實現的，現在每年都在世界各地挽救無數生命。現代 IGBT 的性能容量已經擴展到如今基于 IGBT 的電源轉換器和逆變器幾乎占據了所有主要應用的主導地位，額定功率在 1kW 到 10 MW 之間。

根據市場分析師 Verified Market Research 的數據，2024 年 IGBT 市場規模價值 83 億美元，預計到 2031 年將達到 168.4 億美元，2024 年至 2031 年的復合年增長率為 9.25%。推動這一市場發展的關鍵因素包括可再生能源的日益普及、電動汽車的增長和交通電氣化、工業自動化和變頻驅動器的進步、智能電網和先進的電源管理系統。

Baliga教授在一份聲明中表示：“能夠獲此殊榮，我感到非常興奮。我尤其高興的是，千年技術獎將使我的創新受到關注，因為 IGBT 是一種隱藏在社會視線之外的技術。它使大量產品成為可能，這些產品改善了全球數十億人的舒適度、便利性和健康，同時減少了二氧化碳排放，以緩解全球變暖。向公眾介紹這一影響深遠的創新將展示現代技術對人類的改善。”

Baliga 教授及其團隊目前正在研究兩項新發明，以進一步提高太陽能發電、電動汽車和人工智能服務器電力輸送領域的效率。Baliga 教授表示：“我最近的一項發明是 Baliga 短路改進概念 (BaSIC)，旨在消除工業和電動汽車應用的電機驅動器中使用的碳化硅 (SiC) 功率 MOSFET 短路耐受時間較差的障礙。我的第二項新發明是雙向場效應晶體管 (BiDFET)，它使矩陣轉換器能夠用于電力電子應用。與現有的電壓源逆變器相比，矩陣轉換器在尺寸、效率和可靠性方面實現了前所未有的改進。電力電子專家表示，這將對電力輸送和管理產生革命性的影響。”

芬蘭技術學院（該獎項的頒發機構）董事會主席 Minna Palmroth 教授表示：“IGBT 已經并將繼續對可持續發展產生重大影響，提高全球生活水平，同時減輕環境影響。應對全球變暖的主要解決方案是電氣化和轉向可再生能源。IGBT 是解決這些問題的關鍵技術。” Palmroth 補充道：“我特別高興的是，該獎項闡明了一項創新，它既至關重要，又具有巨大的影響力，但絕大多數人并不了解。我認為這是強調科學和創新力量的絕佳方式。”

同樣，千年技術獎國際評選委員會主席 P?ivi T?rm? 教授指出：“全球三分之二的電力用于驅動消費和工業應用中的電機。Baliga 教授的創新使我們能夠高效地利用電力發展社會，同時大幅降低能源消耗。”電力電子是任何現代社會的關鍵支持技術，其中流程和能源系統的自動化發揮著越來越重要的作用。在過去的 40 年里，直到今天，IGBT 仍然是最重要的功率半導體器件。”

Baliga的榮耀

這并不是Baliga的首次獲獎，2016 年，Baliga 入選美國國家發明家名人堂，福布斯雜志將他評為世界上負碳足跡最大的人。

Baliga 擁有 123 項美國專利，其中包括許多其他已商業化的發明。分柵功率 MOSFET 被廣泛用于筆記本電腦、個人電腦和服務器。他的碳化硅發明（包括 JBS 整流器和屏蔽通道功率 MOSFET）被用于各種最先進的電力管理技術。

Baliga是美國國家工程院院士（1993 年）、歐洲科學院院士（2005 年），也是IEEE 院士（1983 年）。

他曾獲得 1991 年 IEEE 紐厄爾獎、1993 年IEEE 莫里斯·N·利布曼紀念獎、1998 年 IEEEJJ·埃伯斯獎和 1999 年IEEE 拉姆獎章。

1997 年，《科學美國人》雜志在紀念晶體管發明 50 周年時，將他列為“半導體革命八大英雄”之一。

2011年，他被美國總統奧巴馬授予美國工程師最高獎項——國家技術與創新獎章。

2014年，他因“發明、實現和商業化功率半導體器件，為社會帶來廣泛利益”而被授予IEEE榮譽勛章。?

2015 年，他因發明、開發和商業化絕緣柵雙極晶體管而獲得全球能源獎，這是能源控制和分配領域最重要的創新之一。

2016 年，Baliga入選國家發明家名人堂。

Baliga發明IGBT的歷史

在Baliga撰寫的《IGBT: The GE Story [A Look Back]》一文中，介紹了 GE 的 IGBT 概念、開發和商業化背后的歷史。Baliga在現有的功率 MOSFET 生產線上完美地開發了 IGBT 產品，并在掩模和制造工藝設計方面一絲不茍地關注細節，這對其成功至關重要。成功抑制了 IGBT 中的寄生晶閘管閂鎖問題，并為 MOS 門控器件創建了電子輻照壽命控制過程，使 IGBT 能夠方便地定制以用于廣泛的應用。通用電氣為消費、工業和照明行業生產的廣泛產品組合為 IGBT 技術的廣泛使用和影響提供了獨特的環境。

Baliga于 1974 年加入 GE 研發中心。第一個任務是在 2 英寸直徑的硅晶片上開發阻斷電壓能力為 3000 V 的晶閘管。“我意識到晶閘管的阻斷電壓能力和柵極驅動電流必須相互權衡。能夠承受較大 dV/dt 的設備需要更大的柵極觸發電流。增加晶閘管的 dI.dt 能力需要柵極接觸分布，例如漸開線結構，從而產生更大的驅動電流。這些經驗在構思 IGBT 結構時非常有價值。”

1977 年 7 月 26 日，Baliga向 GE 提交了一份關于晶閘管 MOS 門控的專利披露，這也被視為GE IGBT構想和實驗演示的關鍵。

1980 年 10 月，Baliga提議開發和商業化 IGBT。在GE于1983年6月發布IGBT產品后，GE給包括富士電機、日立、三菱和東芝等公司授權IGBT。

1987 年，杰克·韋爾奇決定退出半導體業務。1988 年Baliga離開了通用電氣，在北卡羅來納州立大學成立了功率半導體研究中心 (PSRC)，開始了第一個專注于學術功率半導體器件研究的活動。20 世紀 90 年代，PSRC 成功開發了首批高性能碳化硅肖特基整流器和逆變/累積通道功率 MOSFET，為電力電子性能的下一次飛躍奠定了基礎。

IGBT在汽車中的應用

在傳統燃油車領域，IGBT就已經發揮了作用。比如在 HID 燈鎮流器中，IGBT 通常用于 H 橋配置，以管理燈在點火、預熱和運行模式下的運行。在直接燃油噴射應用中，IGBT 控制精密噴射器內壓電元件的高壓執行器。

而到了電動汽車時代，IGBT扮演著絕對至關重要的角色，是核心技術部件。IGBT在電動汽車中占成本近10%，在充電樁中占約20%。它在電動汽車領域的主要應用領域如下：

電機驅動：IGBT 在電控系統中發揮著重要作用，通過精確控制電機的導通狀態，實現電機的精確調節。這提高了車輛的動力和能效。IGBT 的高功率密度和可控性使其成為電機控制的理想選擇，可實現更高效、更靈活的駕駛體驗。

電池管理系統：IGBT 是電池管理系統中的關鍵元件，電池是電動汽車的儲能單元，IGBT 的可控性和高輸入阻抗使其成為電池充放電過程的理想調節器，通過精確控制 IGBT 的開關操作，實現快速充電、高效放電、限流、溫度保護和電池狀態監控，確保安全，延長電池壽命，提高安全性能。

輔助電源系統：在輔助系統中，IGBT 控制電池冷卻系統、再生制動系統和輔助電源系統，以提高車輛系統的效率和可靠性。在電池冷卻系統中，IGBT 主要用于實時監控和控制電池溫度。通過傳感器獲取溫度信息，IGBT 可以在必要時調整冷卻系統的運行。

制動系統：制動過程中，車輪運動產生的機械能被轉換成電能。通過 IGBT 控制的逆變器操作，該電能被傳輸到儲能設備，通常是電池。此過程存儲制動過程中產生的能量，防止浪費。隨后，這些存儲的能量可用于提供額外的動力，從而增加電動汽車的續航里程。喜歡我們的文章嗎？歡迎在wx關注我們的訂閱號：汽車開發圈（ID：AutoDevelopers），瀏覽更多汽車電子相關內容。