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igbt是什么(生活常识,生活百科)

igbt是什么(生活常识,生活百科)人类历史上的一大进步是电的发现,给人们带来了极大的便利。电对人类生活有两方面的影响:能量获取、转化和传递。电也是电子信息技术的基础。在电子领域,最重要的组

igbt是什么(生活常识,生活百科)
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人类历史上的一大进步是电的发现,给人们带来了极大的便利。电对人类生活有两方面的影响:能量获取、转化和传递。电也是电子信息技术的基础。在电子领域,最重要的组件之一是今天的主角:IGBT
IGBT定义:
百度百科:IGBT(绝缘栅双极型晶体管),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型晶体管)和金属氧化物半导体(绝缘栅场效应晶体管)组成的复合全控电压驱动功率半导体器件,具有金属氧化物半导体场效应晶体管高输入阻抗和GTR低导通压降的优点。GTR饱和电压降低,载流密度高,但驱动电流大;MOSFET驱动功率小,开关速度快,但导通压降大,载流密度低。IGBT结合了上述两种器件的优点,具有低驱动功率和低饱和电压。非常适合DC电压600伏及以上的变流器系统,如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
一般来说,IGBT是一种大功率电子器件,是一种非开即关的开关。IGBT没有放大电压的功能,所以当它接通时可以看作一根导线,当它断开时可以看作一个开路。三大特点是高电压、大电流、高速度。2
IGBT分类
根据电压等级,主要分为600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等。不同的电压等级表明IGBT能阻挡多少直流电压。如果电压等级超过相应的电压等级,器件的漏电流将开始大幅增加。这些设备在短时间内可能不会损坏,但在长时间内会损坏甚至烧毁。
根据栅结构分为平面栅和沟槽栅。
平面闸门承受短路的能力较高;栅极电容小(约为沟槽栅极的三分之一);
沟槽栅单元面积小,电流密度大,导通损耗降低30%左右;击穿电压更高;
IGBT的优势
IGBT应用
IGBT使用注意事项
禁止用手触摸模块的网格引脚,因为身体上的静电足以将其击穿;
包装要用防静电袋,栅格和发射针要用短路弹簧短接,防止运输过程中摩擦静电;
当电源的IGBT桥臂有电压时,切勿拔下栅极驱动信号线,并在运行前将DC总线电压降至0V;
当IGBT桥臂有额定电压时,不要用示波器探头接触电网,因为引线电感产生的电压容易造成电网干扰或击穿;
安装IGBT时,导热硅要均匀,越薄越好。否则,增加热阻;
安装IGBT时,请务必将其锁定在散热器上。
深圳富斯特科技有限公司成立于2008年12月,位于深圳南山白沙新兴工业园区。专业从事智能家电、WiFi模块、移动APP、IGBT、降噪芯片、物联网解决方案、指纹识别解决方案、电容式触摸等整体解决方案。是一家集设计、研发、生产、销售为一体的高科技企业,拥有完整的物联网解决方案。
电话:0755-29555317
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这个问题我想分两部分回答。我估计题主和很多点开这个问题的读者,和我当初一样,在深入电路理论之前,是通过铁路和电动车领域第一次听到IGBT这个词,这个问题就产生了。所以我想说一下第一部分的应用,我会尽量让它更受欢迎。在第二部分,我将简单地谈谈IGBT本身,在我理解它之前,它可能需要一点模拟电路的知识。
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第一部分:IGBT的申请
从功能上讲,IGBT是由晶体管实现的电路开关。开启时可承受几十到几百安培的电流;当它关闭时,它可以承受几百到几千伏的电压。
家里的电灯开关是用按钮控制的。作为一种晶体管,IGBT是由其他电路而不是机械按钮控制的。具体来说,IGBT的简化模型有三个接口,其中两个(集电极和发射极)连接到高压电路,一个接收控制信号,称为栅极。给栅极一个高电平信号,开关(集电极和发射极之间)就会导通;发出低信号,开关就会关闭。向门级发送控制指令的电路叫控制电路,你可以把它理解为一种“计算机”,但实际的“计算机”通常是单片机或者叫DSP的微处理器,擅长处理数字信号,比较小。即使对于一些非常基础的应用,也可能是由一些简单的芯片和电路控制,不需要编程。然而,应该注意的是,所谓的数字信号在门级的电压也需要10到20伏,因此在控制电路和IGBT之间需要一个小的“驱动电路”用于信号转换。
可以用数字信号控制的高压开关有很多种。作为其中之一,IGBT的特点是其电流和电压水平下的最高开关速度,每秒可开关近10000次。换句话说,IGBT开关频率可以达到10kHz水平。GTO以前用于轨道交通列车,但GTO的开关速度较低,因此仅在最大电压和电流超过IGBT容许范围时使用。IGCT本质上是GTO,但结构已经优化,开关速度和最大电压电流在GTO和IGBT之间。另一方面,大功率金属氧化物半导体场效应晶体管的开关速度比IGBT快,但它支持的最大电压和电流都比IGBT小。
为什么要这么快切换?常见的高压只有50Hz交流电。变压器可以改变电压,但不能改变频率,更不能变成直流电;另一方面,光伏电站产生的直流电不能转化为交流电。通过使用IGBT开关,人们可以设计一种电路,通过控制IGBT,电源侧的交流电可以变成给定电压的直流电,或者各种电可以变成所需频率的交流电。这种电路叫电力电子电路,用电力电子电路做的设备叫转换器。特别是把交流电变成DC的电路叫整流器,把DC变成交流电的电路叫逆变器,而把DC变成DC的电路实际上是最典型的,一个般直接称为变换器。
  怎么实现的需要讲一下PWM(脉宽调制)的概念。这个道理可以用照明灯接触不良时快速闪烁来类比。闪烁的灯看起来没有正常的灯亮,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。功率电路的本质是传输电能,所以也可以利用这个原理。如果用电器前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,通过改变脉冲在0.3秒内占据的时间(也就是脉宽),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,所谓的脉宽调制一词就是这么来的。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。
  通过较高电压直流电和PWM方法,得到任意较低电压直流电的示意图通过直流电和PWM方法,得到不同电压、不同频率交流电的示意图
  如果你仔细看了上一段的说明,你会发现实现这个功能需要至少两个开关,一个接在用电器和300V之间,一个接在用电器和0V之间。两个开关交替导通才可以实现PWM,这和家里的电灯只有一个开关是不太一样的。当然,在很多应用中,可以将其中一个开关替换为二极管,另外一个开关的通断可以自动控制二极管的通断。
  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。光伏发电、电力储能等领域,主要用IGBT进行交流电、直流电之间的转换。
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  第二部分:IGBT器件
  IGBT的特点可以从其全称中了解一二:绝缘栅双极晶体管。
  所谓绝缘栅,是指IGBT与MOSFET类似,作为控制的门级和功率电路部分是绝缘的,之间没有通过导体或半导体电气连接。门级只要出现一定的电压,在半导体内部形成一定的电场,就可以实现IGBT的导通。
  有了绝缘栅,在开关时,只需要在IGBT切换状态的瞬时间内给门级注入/抽取一点能量,改变内部电场,就可以改变IGBT的工作状态。这个过程很容易做的非常快速,这也是IGBT、功率MOSFET的最大开关速度较高的原因之一。相比之下,普通的三极管(BJT)中,控制极需要有持续的电流才能维持导通,而且当主功率电路中的电流较大时,这个电流也必须相应地变得比较大才能支持这样的电流。
  所谓双极,是指IGBT导通时,半导体内的电子和空穴两种粒子都参与电流传导。就像教科书里二极管导通时电压总是0.7V一样,利用电导调制现象,IGBT导通时的电压相对于大电流不敏感。相比之下,功率MOSFET作为单极器件,其导通时类似一个小电阻,小电阻上的电压和电流呈线性关系,因此当电流超过一定程度时,功率MOSFET上消耗的电能(电压和电流的乘积)就太大了,限制了MOSFET的最大电流。另一方面,减小MOSFET中小电阻的努力会希望MOSFET的两个功率极不要相隔太远,但这也制约了MOSFET承受电压的能力。
  所谓晶体管,其与GTO等晶闸管有一定的区别。晶闸管的内部结构类似于两个晶体管,依靠这两个晶体管之间相互放大,实现了IGBT等晶体管难以实现的超大电流的传导。但其问题在于关断器件时,需要抽取很大的电流,让两个晶体管退出相互放大的状态。这一过程需要的瞬时功率大,速度也比较慢,所以关断晶闸管的过程会损失比较多的能量。这也是为什么GTO支持的开关频率会明显小于IGBT。
  IGBT结构示意图,可简化为一个PNP型三极管和一个N-MOSFET的组合
  IGBT的结构可简化视为一个PNP型三极管和一个N-MOSFET的组合。门及信号直接控制MOSFET的通断,当MOSFET导通时,会持续向PNP型三极管的基极抽取电流,实现PNP三极管的导通。当MOSFET关断时,会掐断这一电流,从而关断PNP三极管。
  IGBT是非常成功的电力电子器件之一。当然,被IGBT一定程度取代的GTO也很成功,至今在电网级别的应用中还很广泛。相比之下,还有很多不为人知的器件都成为了历史中的过客。不过,近年宽禁带半导体器件技术取得了不少突破,其中碳化硅(SiC)材料耐压、耐温更高,因此用碳化硅做成的MOSFET就可以直接媲美IGBT的电压、电流承载能力,而无需再使用更为复杂的IGBT结构。在电动汽车、轨道交通领域,商品化的基于SiC-MOSFET的变换器已经投入市场了。当然,理论上碳化硅材料和IGBT结构也是可以结合的,其电压、电流也会上升一个等级,或有望挤占目前硅基GTO的市场。
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  注:原答案发布于 2014-08-19,2018-11 第一次大修。
  IGBT是一种电压控制的电力三极管,你可以看作是一个高功率版本的CMOS管。特点是开关频率高,家庭方面的主要应用比如变频空调、电磁炉,微波炉,还有就是电脑电源的主动pfc还有UPS。工业方面应用主要用于各种电机驱动,略去不表。
  说说应用吧,IGBT是可控器件,即可通过开关信号控制它的门极实现CE间输出关断。现在热门的高铁、风电、光伏、电动汽车等新能源行业中DC-AC的开关器件,将母线上的直流电转化为交流输出,也就是常说的逆变单元。相近应用的元件比较,IGBT较GTO具备更高的开关频率,较MOS具备更高的耐压。
  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅极双极型晶体管),是一种门极电压控制的电力半导体器件,控制方式与MOSFET相似,控制电压等根据各产品有区别(部分情况下可与之替换,慎用!).
  IGBT 发明的初衷是希望研发出一种器件具有MOSFET 的高频开关特性又有其所不具备的高阻断电压(MOSFET可通过增加n- 区厚度来提高阻断电压,但同时会增加导通电压,提高功率损耗)。如图所示,通过用p区置换MOSFET底部的n+ 区得到pn结及pnp结构来同时兼顾正向导通电流与反向阻断的特性。
  Fig. 1: MOSFET与IGBT结构示意(老图)
  八卦: IGBT 由多个公司及机构在上世纪80年代初各自独立研发完成,其中以GE的Baliga最为世人所知(出版众多相关教材,如功率半导体基础,SiC 器件等)。但欧洲的一些教授对于Baliga发明的器件结构存疑,并引发论战。
  大牛间的争斗我不懂。。。
  功率半导体器件主要应用于直流/交流,高压/低压等场合,基本原理就是通过开关频率的变化来实现电流电压频率波形的转变。
  各类功率半导体器件由于设计结构的差别都有其适用的工作区间(电压,电流,频率),如下图所示:
  Fig. 2: 功率半导体器件工作电流电压与频率
  Fig. 3: 应用领域所需的工作电流电压与频率
  上图可知, IGBT器件在电动/混动汽车上的应用会随着其市场的增长而随之增长,德国各大车厂都很PUSH,相关研究经费(大学,科研所,公司)最近几年爆发式上升。
  功率半导体产业前景还是比较乐观的。
  国家电网在研制超大导通电流超大阻断电压的硅基IGBT,这在世界上是独一无二的(其他国家很少有超远距离超高压输电工程,所以也没有需求来研制此类产品)。
  不过,近几年来,宽禁带半导体在功率器件上的应用有了爆炸性的增长(以前很少,产量,成本,可靠性问题),上图相应的应用范围将会产生变化,如 SiC 的MOSFET可替代硅基 IGBT (三菱电机的全 SiC 解决方案,运用于电动车上),SiC的 IGBT(现为研究热点) 则可应用于更高电压电流(GTO)的场合。
  题主问了两个问题。虽然是从高铁出发,但是IGBT在新能源车上的应用,也非常广泛。我来分别回答一下这两个问题。
  英文全称为Insulated Gate Bipolar Transistor。这一长串英文单词,是不是好像除了一个Gate其他都不太好认
  你可以把他,当做是一种电路的开关,一种可以人为精确控制的电路开关,并且开和关的速度可以达到每秒上万次。从外观上看,大概是这个样子的。
  光看这个外观,肯定不够解释这到底是个啥。三分钟看懂 IGBT原理动画解析
  不点开视频的话,你也可以通过下面的文字了解――
  IGBT的雏形是二极管,下面我们由浅及深,逐步介绍IGBT有趣的工作原理。
  二极管由半导体材料比如硅Si制造出来,Si的价电子层有四个电子,会跟相邻的四个Si原子形成共价健。电流的传导需要自由电子,而共价键比较稳定,几乎没有多余电子。怎么办呢科学家想出一个办法――掺杂。比如用价电子为5的磷P置换Si,自由电子产生了。
  掺杂P后,多出一个绿色的就是自由电子
  光有电子没有用,半导体需要用价电子为3的硼B置换另一块Si,空穴产生了。就这样,萝卜和坑都有了。
  掺杂B后,缺失了一个电子,就是所谓的“空穴”
  前者被称为N型半导体,后者被称为P型半导体。将N型和P型半导体拼在一起,二极管就诞生了。在两种半导体的交界线,有趣的事情发生了。交界处的空穴和电子,在相互吸引下,“牵手”成功。
  同时因为电子的离开,会使N部分边缘轻微带正电。相反,P部分边缘带负电。产生的内电场(又称势垒)会阻止任何一个电子进一步迁移。因此断电状态下,二极管内是没有电流的。
  下面,我们给二极管接上电源。此时电源吸引电子和空穴到两个极端,无法有电流产生,也就是电路断开。
  如果反转电源,又会发生什么
  假设电源有足够电压,能够克服内电场的阻挡,电子会越过势垒,跳到P型的空穴里,并逐渐移动到外部电路,即电路接通。此时外部电压也被称为二极管的正向偏压。
  这种材料存在导通和不导通两种状态,而且可以人为控制,所以被成为“半导体。”接下来,难度有所升级哦。
  MOSFET,又简称MOS管,金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管,有NPN型和PNP型。我们以NPN型为例,看看电路是如何接通和断开的。
  和二极管相同,MOS管的N部分、P部分交界处也会产生内电场,阻止电子扩散,此时没有电流。
  下面我们接通电源,底部N部分电子向正极移动,空穴向相反方向移动,底部N与P交界处内电场持续增大,即电路断开。反向接通电源,也是如此,在上端的N型半导体与P型半导体交界处,内电场增大,电路依旧处于断开状态。那么,怎么才能让电路接通呢
  MOSFET的剖面大概是这个样子的这个结构无论正反接电压,都无法使电路导通
  工程师在P部分上方加入金属板和绝缘板,又称为栅级。
  源极与漏极电压不变,栅源加正电压。栅极将P部分电子吸引到绝缘板附近,空穴被填充,此处电位逐渐变化到和两旁N部分相同,于是一条通道打开了。
  之后电子在源极、漏极电压驱动下运动,产生电流,电路接通。如果降低栅极电压,通道关闭,电路也就断开了。
  升高栅极电压,电路接通;降低栅极电压,电路断开。
  栅极的存在,使得MOS管只需要很小的驱动功率和很低的电压,就可以控制大功率大电压的电路。而且可以实现很快的速度。我们理想中的开关管已经产生了。
  其实IGBT的结构和MOS管非常接近,只是有时候,MOSFET支持的电压还不够高,电流还不够大。电压乘以电流等于功率,也就是MOSFET控制的电路,功率还不够高。此时需要背面增加N+和P+层。
  这就是IGBT的剖面(原理)图
  “+”意味着更高的自由电子或者空穴密度。从而IGBT在保留MOS管优点的同时,增加了载流能力和抗压能力。
  这样,IGBT就可以承担新能源车上交直流转换、高低压转换的繁重而精确的工作了。
  交流电和直流电各有优势,交流电适合发电站发电,且可以通过电磁感应简单地变换电压;直流电则适合使用化学电池储存。但在半导体功率开关诞生之前,两者之间无法自由且高效地互相转换。所以在爱迪生和特斯拉的时代,两位科学巨人在道路选择的问题上发生了很大的分歧。
  自从有了诸如IGBT的功率半导体开关,人们就能通过PWM脉宽调制的方式,配合一定的简单电路,让电能在交流和直流之间自由转换,并且控制交直流的电压,以及交流电的频率――关键效率还很高,不会损失很多能量。
  如果你不了解这方面的内容,下面我的这篇文章和视频,应该可以让你三分钟快速了解。
  绿芯君:把直男掰弯需要几步视频解析直流电如何变成交流电
  文中为了便于理解,举例的是最简单的单相桥式电路。工程师使用更复杂的三相桥式电路,还可以任意控制三相交流电的每相相位,从而实现对于使用交流电的电机,进行精确控制。
  生活中的许多场合都会用到功率半导体开关――从手机充电器、到微波炉、变频空调/冰箱等家电,到新能源汽车、高铁,超高压输电线路的变电站,甚至有可能应用在航母的电磁弹射等。
  作为功率半导体开关中,效率与控制精度较高的一类,IGBT的制造工艺更为复杂,耐压程度更高,成本也会相对较高。所以一般都应用在相对比较高级、能够承担更高成本的场合――
  比如对控制精度要求很高、输出实时变化的新能源车上的电机控制器、充电器;对耐压和输出精度都要求较高的高铁电机控制器;对耐压要求很高的变电站升降压电路等场合。
  至于更一般的场合,一般会用成本更低的MOSFET管、晶闸管等。
  绿芯君,给你最硬核而有趣的新能源汽车科普:
  电动车因为具备了能量回收功能可以减少多少能耗呢拥有一辆 Tesla Model 3 的感受如何为什么搭乘纯电动车比燃油汽车更容易产生晕车感国家大力发展电动车,但是电池使用五年之后效率大幅降低,而更换电池费用又过高,到时候又该怎么处理呢

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