《電子技術應用》
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IGBT在逆變器和變頻電源中的應用分析

2019-01-02

作為主流的新型電力電子器件之一,IGBT在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車、新能源裝備,以及工業領域(高壓大電流場合的交直流電轉換和變頻控制)等應用極廣,是上述應用中的核心技術。據相關數據顯示,中國IGBT市場一直被國際巨頭壟斷,九成的份額掌握在英飛凌、三菱等海外巨頭手中。

IGBT也叫絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT和MOS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。

一、IGBT在變頻電源中的應用

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變頻電源是將市電中的交流電經過AC-DC-AC變換, 輸出為純凈的正弦波,輸出頻率和電壓 一定范圍內可調。它有別于用于電機調速用的變頻調速控制器,也有別于普通交流穩壓電源。理想的交流電源的特點是頻率穩定、電壓穩定、內阻等于零、電壓波形為純正弦波。變頻電源十分接近于理想交流電源,先進發達國家越來越多地將變頻電源用作標準供電電源,以便為用電器提供最優良的供電環境,便于客觀考核用電器的技術性能。IGBT是變頻電源內部最核心的重要元器件之一,在內部起著重要的作用。

IGBT在變頻電源中所發揮的作用是將直流變為交流供電機使用, 與其它電力電子器件相比的話,IGBT具有非常高的可靠性、驅動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點,開發高電壓、大電流、頻率高的高壓IGBT并將其應用到變頻電源中以獲得不同頻率的電流。

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP 晶體管提供基極電流,使IGBT導通。加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同,只需控制輸入極N一溝道MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。

二、IGBT在逆變器中的應用

逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成交流電(一般為220V,50Hz正弦波)的設備。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于空調、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱,錄像機、按摩器、風扇、照明等。

工業上一般大量應用阻斷電壓1200v等級的IGBT器件,但對于城市軌道車輛用的600v和750v網壓而言,這種電壓等級的IGBT在城市網壓下應用其阻斷電壓是不夠的。為在這樣網壓制下使用,必須采用特殊電路。針對城市軌道車輛所用的網壓制式,開發了用于750v電網的1.7kv igbt和用于1500v電網的3.3kv的IGBT。

三、IGBT在新能源汽車中的應用

作為新型功率半導體器件的主流器件,IGBT已廣泛應用于工業、 通信、計算機、消費電子、汽車電子、航空航天、國防軍工等傳統產業領域,以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。

IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用,是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%,占充電樁成本約20%。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面,如電動控制系統、大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅動汽車電機、車載空調控制系統、小功率直流/交流(DC/AC)逆變等。

總結:

我國的IGBT在技術差距方面包括高鐵、智能電網、新能源與高壓變頻器等領域所采用的IGBT模塊規格在6500V以上,技術壁壘較強;,GBT芯片設計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產業核心技術仍掌握在發達國家企業手中。


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