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IGBT的應用領域與器件介紹

Q4MP_gh_c472c21 ? 來源:SourceIKA ? 作者:SourceIKA ? 2021-04-08 10:40 ? 次閱讀

IGBT的應用

從功能上來說,IGBT就是一個由晶體管實現(xiàn)的電路開關。當其導通時,可以承受幾十到幾百安培量級的電流;當其關斷時,可以承受幾百至幾千伏特的電壓。

家里的電燈開關是用按鈕控制的。IGBT作為晶體管的一種,它不用機械按鈕,而是由別的電路來控制的。具體點說,IGBT的簡化模型有3個接口,有兩個(集電極、發(fā)射極)接在強電電路上,還有一個接收控制電信號,叫作門極。給門極一個高電平信號,開關(集電極與發(fā)射極之間)就通了;再給低電平信號,開關就斷了。給門級發(fā)出控制指令的電路稱為控制電路,你可以理解為是一種“計算機”,只不過實際用的“計算機”通常是單片機或者是叫作DSP微處理器,擅長處理數(shù)字信號,比較小巧,甚至對于一些很基本的應用,可能靠一些簡單的芯片和電路就可以實現(xiàn)控制,無需編程。但要注意的是,門級所謂數(shù)字信號的電壓也需要10到20伏特,所以在控制電路和IGBT之間還需要一個小的“驅動電路”來進行信號的轉換。

這種可以用數(shù)字信號控制的強電開關還有很多種。作為其中的一員,IGBT的特點是,在它這個電流電壓等級下,它支持的開關速度是最高的,一秒鐘可以開關近萬次。換言之,IGBT開關頻率可以達到10kHz級別。GTO以前也用在軌道交通列車上,但是GTO開關速度低,所以現(xiàn)在只有在最大電壓電流超過IGBT承受范圍的場合才使用。IGCT本質上也是GTO,不過結構做了優(yōu)化,其開關速度和最大電壓電流都介于GTO和IGBT之間。另一方面,比IGBT開關速度更快的是大功率MOSFET,但其支持的最大電壓電流均小于IGBT。

要這么快的開關干什么用?常見的強電只有50Hz的交流電,變壓器能變它的電壓,但是不能改變它的頻率,更不能把它變成直流;另一方面,光伏電站發(fā)出的直流電,也無法轉換為交流。而利用IGBT這種開關,人們可以設計出一類電路,通過控制IGBT,把電源側的交流電變成給定電壓的直流電,或是把各種電變成所需頻率的交流電。這類電路統(tǒng)稱電力電子電路,由電力電子電路做成的設備稱為變換器。特別的,把交流電變成直流電的電路叫做整流器,把直流電變成交流電的叫做逆變器,而直流變直流的電路其實是花樣最多的,一般直接稱為變換器。

怎么實現(xiàn)的?需要講一下PWM(脈寬調制)的概念。這個道理可以用照明燈接觸不良時快速閃爍來類比。閃爍的燈看起來沒有正常的燈亮,這是因為閃爍的燈亮0.1秒,又滅0.1秒,總共0.2秒的時間內它只發(fā)出了正常燈0.1秒的光能,所以顯得暗。功率電路的本質是傳輸電能,所以也可以利用這個原理。如果用電器前0.2秒接了300V的電壓,后0.1秒接了0V的電壓,那在0.3秒內,它就等效于用電器兩端始終接著200V的電壓。我們管這個只持續(xù)0.2秒的300V電壓叫脈沖,通過改變脈沖在0.3秒內占據(jù)的時間(也就是脈寬),就可以實現(xiàn)等效電壓在這個時刻內成為0~300V內的任何一個值,所謂的脈寬調制一詞就是這么來的。電壓一高一低變化的總時間越短,從宏觀上看電壓越接近等效電壓。

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通過較高電壓直流電和PWM方法,得到任意較低電壓直流電的示意圖

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通過直流電和PWM方法,得到不同電壓、不同頻率交流電的示意圖

如果你仔細看了上一段的說明,你會發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)這個功能需要至少兩個開關,一個接在用電器和300V之間,一個接在用電器和0V之間。兩個開關交替導通才可以實現(xiàn)PWM,這和家里的電燈只有一個開關是不太一樣的。當然,在很多應用中,可以將其中一個開關替換為二極管,另外一個開關的通斷可以自動控制二極管的通斷。

總之,我現(xiàn)在有了電壓、頻率都受我控制的強電了。這個強電就可以用來驅動高鐵的電機。現(xiàn)在高鐵使用的都是交流電機,它結構簡單且省電,但是轉速很難調整。好在它的轉速和輸入交流電源的頻率有很密切的關系,所以就可以用使用IGBT的變換器搞出電壓、頻率受控的強電,來靈活控制電機的轉速。反映到高鐵上,就是高鐵列車的車速。這就是所謂的變壓變頻控制(VVVF)。

除了高鐵,像電動汽車、變頻空調、風力發(fā)電機等很多用到交流電機的場合,都用得到IGBT及配套的這類電路來控制電機。光伏發(fā)電、電力儲能等領域,主要用IGBT進行交流電、直流電之間的轉換。

IGBT器件

IGBT的特點可以從其全稱中了解一二:絕緣柵雙極晶體管。

所謂絕緣柵,是指IGBT與MOSFET類似,作為控制的門級和功率電路部分是絕緣的,之間沒有通過導體或半導體電氣連接。門級只要出現(xiàn)一定的電壓,在半導體內部形成一定的電場,就可以實現(xiàn)IGBT的導通。

有了絕緣柵,在開關時,只需要在IGBT切換狀態(tài)的瞬時間內給門級注入/抽取一點能量,改變內部電場,就可以改變IGBT的工作狀態(tài)。這個過程很容易做的非常快速,這也是IGBT、功率MOSFET的最大開關速度較高的原因之一。相比之下,普通的三極管(BJT)中,控制極需要有持續(xù)的電流才能維持導通,而且當主功率電路中的電流較大時,這個電流也必須相應地變得比較大才能支持這樣的電流。

所謂雙極,是指IGBT導通時,半導體內的電子和空穴兩種粒子都參與電流傳導。就像教科書里二極管導通時電壓總是0.7V一樣,利用電導調制現(xiàn)象,IGBT導通時的電壓相對于大電流不敏感。相比之下,功率MOSFET作為單極器件,其導通時類似一個小電阻,小電阻上的電壓和電流呈線性關系,因此當電流超過一定程度時,功率MOSFET上消耗的電能(電壓和電流的乘積)就太大了,限制了MOSFET的最大電流。另一方面,減小MOSFET中小電阻的努力會希望MOSFET的兩個功率極不要相隔太遠,但這也制約了MOSFET承受電壓的能力。

所謂晶體管,其與GTO等晶閘管有一定的區(qū)別。晶閘管的內部結構類似于兩個晶體管,依靠這兩個晶體管之間相互放大,實現(xiàn)了IGBT等晶體管難以實現(xiàn)的超大電流的傳導。但其問題在于關斷器件時,需要抽取很大的電流,讓兩個晶體管退出相互放大的狀態(tài)。這一過程需要的瞬時功率大,速度也比較慢,所以關斷晶閘管的過程會損失比較多的能量。這也是為什么GTO支持的開關頻率會明顯小于IGBT。

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IGBT結構示意圖,可簡化為一個PNP型三極管和一個N-MOSFET的組合

IGBT的結構可簡化視為一個PNP型三極管和一個N-MOSFET的組合。門及信號直接控制MOSFET的通斷,當MOSFET導通時,會持續(xù)向PNP型三極管的基極抽取電流,實現(xiàn)PNP三極管的導通。當MOSFET關斷時,會掐斷這一電流,從而關斷PNP三極管。

IGBT是非常成功的電力電子器件之一。當然,被IGBT一定程度取代的GTO也很成功,至今在電網(wǎng)級別的應用中還很廣泛。相比之下,還有很多不為人知的器件都成為了歷史中的過客。不過,近年寬禁帶半導體器件技術取得了不少突破,其中碳化硅(SiC)材料耐壓、耐溫更高,因此用碳化硅做成的MOSFET就可以直接媲美IGBT的電壓、電流承載能力,而無需再使用更為復雜的IGBT結構。在電動汽車、軌道交通領域,商品化的基于SiC-MOSFET的變換器已經(jīng)投入市場了。當然,理論上碳化硅材料和IGBT結構也是可以結合的,其電壓、電流也會上升一個等級,或有望擠占目前硅基GTO的市場。
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原文標題:高鐵中的 IGBT 是什么?都在哪些領域有應用?

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