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關于IGBT,你了解多少?
大家都知道,電的發現和應用極大的節省了人類的體力勞動和腦力勞動,使人類的力量長上了翅膀,使人類的信息觸角不斷延伸.電對人類生活的影響有兩方面:能量的獲取轉化和傳輸,電子信息技術的基礎.襟抱堂網絡策劃機構認為…
回答

  大家都知道,電的發現和應用極大的節省了人類的體力勞動和腦力勞動,使人類的力量長上了翅膀,使人類的信息觸角不斷延伸.電對人類生活的影響有兩方面:能量的獲取轉化和傳輸,電子信息技術的基礎.襟抱堂網絡策劃機構認為,電的發現可以說是人類歷史的革命。

  然而在電力電子領域中,其中最重要一個元件就是今天的主角:IGBT,假如沒有IGBT,那么我們出行就不會有高鐵的便捷生活.

  來自百度百科對IGBT的解釋:

  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。

  試著用動畫的形式講解一下什么是IGBT?(此動畫中國中車制作)

  下面看一下來自知乎網友對IGBT的理解吧,如下:

  看到這個問題想起了四年前的我,也是為了這個問題報考了電機系。。。我試試從科普的角度回答一下。。。

  從功能上來說,IGBT就是一個電路開關,用在電壓幾十到幾百伏量級、電流幾十到幾百安量級的強電上的。(相對而言,手機、電腦電路板上跑的電電壓低,以傳輸信號為主,都屬于弱電。)可以認為就是一個晶體管,電壓電流超大而已。

  家里的電燈開關是用按鈕控制的。IGBT不用機械按鈕,它是由計算機控制的。具體點說,IGBT的簡化模型有3個接口,有兩個(集電極、發射極)接在強電電路上,還有一個接收控制電信號,叫作門極。給門極一個高電平信號,開關(集電極與發射極之間)就通了;再給低電平信號,開關就斷了。給門極的信號是數字信號(即只有高和低兩種狀態),電壓很低,屬于弱電,只要經過一個比較簡單的驅動電路就可以和計算機相連。實際用的“計算機”通常是叫作DSP的微處理器,擅長處理數字信號,比較小巧。

  這種可以用數字信號控制的強電開關還有很多種。作為其中的一員,IGBT的特點是,在它這個電流電壓等級下,它支持的開關速度是最高的,一秒鐘可以開關幾萬次。GTO以前也用在軌道交通列車上,但是GTO開關速度低,損耗大,現在只有在最大電壓電流超過IGBT承受范圍才使用;IGCT本質上也是GTO,不過結構做了優化,開關速度和最大電壓電流都介于GTO和IGBT之間;大功率mosFET快是快,但不能支持這么大的電壓電流,否則會燒掉。

  要這么快的開關干什么用?常見的強電只有50Hz的交流電,變壓器能變它的電壓,但是不能改變它的頻率,不能把它變成直流。而有了IGBT這種開關,就可以設計出一類電路,通過計算機控制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,給負載使用。這類電路統稱變換器。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;直流變直流的叫開關電源;三相交流變交流的叫矩陣變換器。

  怎么實現的?需要講一下PWM的概念,這里我可能說的不是很清楚。題主見沒見過家里的照明燈接觸不良的時候快速閃爍?閃爍的燈看起來沒有正常的燈亮吧?這是因為閃爍的燈亮0.1秒,又滅0.1秒,總共0.2秒的時間內它只發出了正常燈0.1秒的光能,所以顯得暗。強電本質上是傳輸電能,所以也可以利用這個原理。如果用電器內的電流幾乎不變,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。我們管這個只持續0.2秒的300V電壓叫脈沖,通過改脈沖在0.3秒內占據的時間,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,即所謂的脈寬調制(PWM)。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。

  

 

  維基百科日文的一張圖,圖示了通過PWM,得到不同電壓直流電的方法。

  

 

  維基百科日文的一張圖,圖示了通過PWM,得到不同電壓、頻率的交流電的方法。

  當然你會問開關都斷開了,為啥用電器里的電流幾乎不變,那是因為開關不是直接和用電器串聯的。實際的變換器電路會稍有些復雜,開關斷開時,有另一條電路會自動啟用,保證電流是連續的。(也有反過來的電路,開關斷開時反而從電源給用電器供電,合上時不從電源供電。)要是沒學過電容電感和二極管的話,知道有這么回事兒就可以了……

  總之,我現在有了電壓、頻率都受我控制的強電了。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,它結構簡單且省電,但是轉速很難調整。好在它的轉速和輸入交流電源的頻率有很密切的關系,所以就可以用使用IGBT的變換器搞出電壓、頻率受控的強電,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。這就是所謂的變壓變頻控制(VVVF)。

  除了高鐵,像電動汽車、變頻空調、風力發電機等很多用到交流電機的場合,都用得到IGBT及配套的這類電路來控制電機。太陽能電廠、電力儲能等領域,主要用IGBT進行交流電、直流電之間的轉換。

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