通俗易懂的IGBT讲解

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IGBT,引用百度百科的解释就是:绝缘栅双极型晶体管,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, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。相信大家看完这个解释头是晕的。其实简单点来说,IGBT就是个用于强电的开关。下面我们来通俗讲解下:
 
从功能上来说,IGBT就是一个电路开关,用在电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上的。(相对而言,手机、电脑电路板上跑的电电压低,以传输信号为主,都属于弱电。)可以认为就是一个晶体管,电压电流超大而已。
 
家里的电灯开关是用按钮控制的。IGBT不用机械按钮,它是由计算机控制的。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。给门极的信号是数字信号(即只有高和低两种状态),电压很低,属于弱电,只要经过一个比较简单的驱动电路就可以和计算机相连。实际用的“计算机”通常是叫作DSP的微处理器,擅长处理数字信号,比较小巧。
 
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,一秒钟可以开关几万次。GTO以前也用在轨道交通列车上,但是GTO开关速度低,损耗大,现在只有在最大电压电流超过IGBT承受范围才使用;IGCT本质上也是GTO,不过结构做了优化,开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间;大功率MOSFET快是快,但不能支持这么大的电压电流,否则会烧掉。
 
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,不能把它变成直流。而有了IGBT这种开关,就可以设计出一类电路,通过计算机控制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,给负载使用。这类电路统称变换器。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;直流变直流的叫开关电源;三相交流变交流的叫矩阵变换器。
 
怎么实现的?需要讲一下PWM的概念,这里我可能说的不是很清楚。题主见没见过家里的照明灯接触不良的时候快速闪烁?闪烁的灯看起来没有正常的灯亮吧?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。强电本质上是传输电能,所以也可以利用这个原理。如果用电器内的电流几乎不变,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,通过改脉冲在0.3秒内占据的时间,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,即所谓的脉宽调制(PWM)。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。
 
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维基百科日文的一张图,图示了通过PWM,得到不同电压直流电的方法。
 
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维基百科日文的一张图,图示了通过PWM,得到不同电压、频率的交流电的方法。
 
当然你会问开关都断开了,为啥用电器里的电流几乎不变,那是因为开关不是直接和用电器串联的。实际的变换器电路会稍有些复杂,开关断开时,有另一条电路会自动启用,保证电流是连续的。(也有反过来的电路,开关断开时反而从电源给用电器供电,合上时不从电源供电。)要是没学过电容电感和二极管的话,知道有这么回事儿就可以了……
 
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。太阳能电厂、电力储能等领域,主要用IGBT进行交流电、直流电之间的转换。
 
​罗姆在IGBT领域上有各类的产品,有面向专门为汽车点火设计的Ignition IGBT,也有很多场截止沟道IGBT,罗姆的IGBT产品为高电压、大电流广泛应用的高效化和节能化做出了贡献。
 
罗姆的最新IGBT RGC80TSX8R的耐压值更是达到了1800V。目前此产品还在量产中,数据手册还未面世,大家可以访问https://www.rohm.com.cn/web/china/products/-/product/RGC80TSX8R查看详情。

 

 

 

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