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技術支持
IGBT模塊淺析
發布者 : admin 發布時間 : 2021/09/16 09:09:44


從功能方面來看,IGBT模塊就是一個由晶體管實現的電路開關。當其導通時,可以承受幾十到幾百安培量級的電流;當其關斷時,可以承受幾百至幾千伏特的電壓。

IGBT模塊作為晶體管,其不用機械按鈕,而是由別的電路來控制的。IGBT模塊的簡化模型有3個接口,分別是集電極、發射極和門極。其中,集電極與發射極接在強電電路上,門極則用于接收控制電信號。當門極接收到高電平信號,開關(集電極與發射極之間)就通了;若接收到低電平信號,開關就斷了。給門級發出控制指令的電路稱為控制電路,可理解為“計算機”,只不過實際用的“計算機”通常是單片機或者數字信號處理器(DSP,Digital Signal Processor),擅長處理數字信號且較小巧,對于一些基本的應用可靠簡單的芯片和電路就可以實現控制,無需編程。但需注意,門級所謂數字信號的電壓也需要10到20伏特,所以在控制電路和IGBT模塊之間還需要一個小的“驅動電路”來進行信號的轉換。

可以用數字信號控制的強電開關還有很多種,作為其中一員的IGBT模塊,其特點是在其電流電壓等級下,IGBT模塊支持的開關速度是最高的,一秒鐘可以開關近萬次。換言之,IGBT開關頻率可以達到10kHz級別。如可關斷晶閘管(GTO,Gate Turn Off Thyristor),以前也被應用于軌道交通列車中,但是其開關速度低,所以現在只有在最大電壓電流超過IGBT模塊承受范圍的場合才使用。集成門極換流晶閘管(IGCT,Integrated Gate-Commutated Thyristor)本質上也是GTO,但其結構做了優化,因此開關速度和最大電壓電流都介于GTO和IGBT之間。比IGBT開關速度更快的還有大功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor),但其支持的最大電壓電流均小于IGBT。

那么,為什么需要這么快的開關呢?常見的強電只有50Hz的交流電,變壓器能改變其電壓但不能改變它的頻率,更不能將其變成直流;另一方面,光伏電站發出的直流電,也無法轉換為交流。而利用IGBT,可以設計出一類電路,通過控制IGBT,把電源側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。這類電路統稱電力電子電路,由電力電子電路做成的設備稱為變換器。而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一般直接稱為變換器。

要實現上述操作,具體需要怎么做呢?這就需要脈沖寬度調制(PWM,Pulse Width Modulation)。功率電路的本質是傳輸電能,若開啟用電器前0.2秒接了300V的電壓,后0.1秒接了0V的電壓,那在0.3秒內,它就等效于用電器兩端始終接著200V的電壓。這個只持續0.2秒的300V電壓叫脈沖,通過改變脈沖在0.3秒內占據的時間(也就是脈寬),就可以實現等效電壓在這個時刻內成為0~300V內的任何一個值,這就是脈沖寬度調制。電壓一高一低變化的總時間越短,從宏觀上看電壓越接近等效電壓。實現脈沖寬度調制需要至少兩個開關,一個接在用電器和300V之間,一個接在用電器和0V之間,兩個開關交替導通才可以實現脈沖寬度調制。

現在有了電壓、頻率都受控制的強電,這個強電就可以用來驅動高鐵的電機。現在高鐵使用的都是交流電機,其結構簡單且省電,但是轉速很難調整。而其轉速和輸入交流電源的頻率有很密切的關系,因此可采用IGBT的變換器來靈活控制電機的轉速。反映到高鐵上,就是高鐵列車的車速,即變壓變頻控制(VVVF,Variable Voltage and Variable Frequency)。除高鐵外,電動汽車、變頻空調、風力發電機等很多用到交流電機的場合,都可采用IGBT及配套的電路來控制電機。而發電、電力儲能等領域,主要用IGBT進行交流電、直流電之間的轉換。

廣東愛晟電子科技有限公司生產的IGBT用NTC芯片,可在IGBT模塊中起到溫度控制和溫度監測的左右。





參考資料:

電子產品世界《高鐵中的 IGBT 是什么?都在哪些領域有應用?》

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