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IGBT在逆变器和变频电源中的应用分析

作为主流的新型电力电子器件之一,IGBT在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备,以及工业领域(高压大电流场合的交直流电转换和变频控制)等应用极广,是上述应用中的核心技术。据相关数据显示,中国IGBT市场一直被国际巨头垄断,九成的份额掌握在英飞凌、三菱等海外巨头手中。

IGBT如何应用于新能源汽车和变频电源中?

IGBT也叫绝缘栅双极型晶体管,是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大,MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小;IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。

一、IGBT在变频电源中的应用

变频电源是将市电中的交流电经过AC-DC-AC变换, 输出为纯净的正弦波,输出频率和电压 一定范围内可调。它有别于用于电机调速用的变频调速控制器,也有别于普通交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波。变频电源十分接近于理想交流电源,先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源,以便为用电器提供最优良的供电环境,便于客观考核用电器的技术性能。IGBT是变频电源内部最核心的重要元器件之一,在内部起着重要的作用。

IGBT在变频电源中所发挥的作用是将直流变为交流供电机使用, 与其它电力电子器件相比的话,IGBT具有非常高的可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点,开发高电压、大电流、频率高的高压IGBT并将其应用到变频电源中以获得不同频率的电流。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP 晶体管提供基极电流,使IGBT导通。加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET ,所以具有高输入阻抗特性。

二、IGBT在逆变器中的应用

逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220V,50Hz正弦波)的设备。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱,录像机、按摩器、风扇、照明等。

工业上一般大量应用阻断电压1200v等级的IGBT器件,但对于城市轨道车辆用的600v和750v网压而言,这种电压等级的IGBT在城市网压下应用其阻断电压是不够的。为在这样网压制下使用,必须采用特殊电路。针对城市轨道车辆所用的网压制式,开发了用于750v电网的1.7kv igbt和用于1500v电网的3.3kv的IGBT。

三、IGBT在新能源汽车中的应用

作为新型功率半导体器件的主流器件,IGBT已广泛应用于工业、 通信、计算机、消费电子汽车电子、航空航天、国防军工等传统产业领域,以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。

IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面,如电动控制系统、大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机、车载空调控制系统、小功率直流/交流(DC/AC)逆变等。

总结:

我国的IGBT在技术差距方面包括高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上,技术壁垒较强;,GBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。

来源: OFweek电子工程网

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