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電動汽車工程師想知道的IGBT知識及應用

日期:2018-12-21 

 如今電動汽車應用越來越多的新知識、新技術,如:什么是電機?什么是電機控制器?什么是逆變器?什么是IGBT?電機控制器或者逆變器型號、規格越來越多。要真正理解它的工作原理,必須要對其基礎理論進行學習,有了基礎知識,再結合實際產品進行對照,基本上可以掌握電機控制器或者逆變器的工作原理,進而就可以科學匹配設計。下面對IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)及應用進行討論,供初級工程技術人員參考。
       IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
       IGBT模塊是由IGBT(絕緣柵雙極型晶體管芯片)與FWD(續流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品;封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上;
       IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點;當前市場上銷售的多為此類模塊化產品,一般所說的IGBT也指IGBT模塊;隨著節能環保等理念的推進,此類產品在市場上將越來越多見;
       IGBT是能源變換與傳輸的核心器件,俗稱電力電子裝置的“CPU”,作為國家戰略性新興產業,在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。
       “絕緣柵雙極型晶體管”的通俗理解
絕緣柵雙極型晶體管是《電工學》中的一個專業術語,如何正確理解有一定難度。小編對個這術語進行通俗的解釋。
   ①管:理解水管的功能即可。水從管子一頭流進去,從另一頭流出。水是液體的,管子對水而言,就是導管。
   ②晶體管:水管子的材料有水泥的,也有用橡膠的等。晶體管的材料是晶體結構的,電子可以這一“頭”流進去,從另一“頭”流出。水管中是“空”腔,水才能流動,晶體結構材料的晶體“管”里也有“空”腔的,電子才能流動。不過水管的“空”腔,肉眼可以看到,而晶體管的“空”腔,肉眼是看不到的。于是有把“頭”換成“極”,即可以這樣表述了,即電子可以這一“極”流進去,從另一“極”流出。最典型是晶體二極管。二極管最大特點,只容許電子在里面的流動是單向的(正向流動),反向是流不通的。這個特性,對二極管而言,叫做單向導通性能。
   ③雙極型晶體管:把2個二極管的開關特性進行組合起來,且進行控制,可行實現電子在晶體管中的雙向流動。好比水管中間裝一些三通,配合一些閥門,水的流向、流量可行進行控制了。在二級管基礎進行新組合,對雙極型晶體管而言,有了開關特性了。
   ④絕緣柵雙極型晶體管:絕緣柵簡單理解是一個閥門。通俗的理解,是帶閥門控制的能控制電子雙向(多向)流動的晶體管。
       IGBT是應用在高壓(高功率)電路變化的開關器件。
       過去的二(三)晶體管(集成塊)基本應用在收音機、電視機等控制(變化)電路里。目前汽車低壓電路里依然大量使用二(三)晶體管(集成塊)等電子器件,但是新能源(電動汽車)驅動,是高壓(大功率)的,過去的二(三)晶體管(集成塊)基本就用不了。于是產生了IGBT,其基礎理論還是電子技術(模擬、數字的)。IGBT已經是大功率的、大規模的集成電子器件了。發展新能源汽車,其中要大量應用IGBT。沒有這個器件的支撐,沒有可能有電動驅動模塊。
       目前中國發展汽車的一個嚴重的短板是,IGBT器件大部分是進口的。電動汽車工程師必須知道IGBT知識及應用。中國長期用外國公司IGBT器件,很難把控核心技術,成本優勢不明顯。為此,我公司早在九十年代引進德國技術,生產了ZTTP型晶體管中頻、高頻、超音頻感應加熱電源,目前經過升級換代,產品已達到二十一世紀國際同類產品技術水平。采用IGBT晶體管為逆變器件,可完全代替電子管式超音頻電源、機式中頻電源及晶閘管中頻電源,適用于各種金屬熱處理、焊接、熔煉、透熱等熱加工行業。
       我公司生產的ZTTP系列IGBT電源,高效節能,運行成本低,無壽命限制,維修費用極其低廉,適用范圍廣,極大的滿足了國內外市場的需求,居國內領先水平。
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