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IGBT是什么?它是如何驅(qū)動(dòng)電路的
我們之前有介紹過(guò)什么是IGBT,不過(guò)主要是從結(jié)構(gòu)上對(duì)其進(jìn)行了剖析,并未深入介紹,今天金譽(yù)半導(dǎo)體再從其他角度來(lái)充分了解一下IGBT的具體信息。此文信息量有點(diǎn)大,供大家參考。
IGBT的特點(diǎn)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(jí)和功率電路部分是絕緣的,之間沒(méi)有通過(guò)導(dǎo)體或半導(dǎo)體電氣連接。門級(jí)只要出現(xiàn)一定的電壓,在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一定的電場(chǎng),就可以實(shí)現(xiàn)IGBT的導(dǎo)通。
有了絕緣柵,在開(kāi)關(guān)時(shí),只需要在IGBT切換狀態(tài)的瞬時(shí)間內(nèi)給門級(jí)注入/抽取一點(diǎn)能量,改變內(nèi)部電場(chǎng),就可以改變IGBT的工作狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程很容易做的非??焖?,一秒鐘可以開(kāi)關(guān)近萬(wàn)次,換言之,IGBT開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到10kHz級(jí)別,這也是IGBT選做成為開(kāi)關(guān)的主要原因。而且IGBT導(dǎo)通時(shí)的電壓相對(duì)于大電流不敏感,可以承受幾十到幾百安培量級(jí)的電流;當(dāng)其關(guān)斷時(shí),可以承受幾百至幾千伏特的電壓。
要這么快的開(kāi)關(guān)干什么用?常見(jiàn)的強(qiáng)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(wú)法轉(zhuǎn)換為交流。而利用IGBT這種開(kāi)關(guān),人們可以設(shè)計(jì)出一類電路,通過(guò)控制IGBT,把電源側(cè)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(shè)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(shí)是花樣多變的,一般直接稱為變換器。
相比之下,功率MOSFET作為單極器件,其導(dǎo)通時(shí)類似一個(gè)小電阻,小電阻上的電壓和電流呈線性關(guān)系,因此當(dāng)電流超過(guò)一定程度時(shí),功率MOSFET上消耗的電能(電壓和電流的乘積)就太大了,這一特征限制了MOSFET的 電流,普通的三極管(BJT)也是如此。另一方面,減小MOSFET中小電阻的努力會(huì)希望MOSFET的兩個(gè)功率極不要相隔太遠(yuǎn),這也制約了MOSFET承受電壓的能力。
功能上來(lái)說(shuō),IGBT就是一個(gè)由晶體管實(shí)現(xiàn)的電路開(kāi)關(guān),不同于家里的電燈開(kāi)關(guān)用按鈕進(jìn)行控制,IGBT作為晶體管的一種,是由別的電路來(lái)控制的。具體點(diǎn)說(shuō),IGBT的簡(jiǎn)化模型有3個(gè)接口,有兩個(gè)(集電極、發(fā)射極)接在強(qiáng)電電路上,還有一個(gè)接收控制電信號(hào),叫作門極。給門極一個(gè)高電平信號(hào),開(kāi)關(guān)(集電極與發(fā)射極之間)就通了;再給低電平信號(hào),開(kāi)關(guān)就斷了。這種可以用數(shù)字信號(hào)控制的強(qiáng)電開(kāi)關(guān)還有很多種。
IGBT是非常成功的電力電子器件之一。相比之下,還有很多不為人知的器件都成為了歷史中的過(guò)客。不過(guò),近年寬禁帶半導(dǎo)體器件技術(shù)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(wú)需再使用更為復(fù)雜的IGBT結(jié)構(gòu)。在電動(dòng)汽車、軌道交通領(lǐng)域,商品化的基于SiC-MOSFET的變換器已經(jīng)投入市場(chǎng)了。當(dāng)然,理論上碳化硅材料和IGBT結(jié)構(gòu)也是可以結(jié)合的,其電壓、電流也會(huì)上升一個(gè)等級(jí)。