MOSFET主要应用于中小功率场合如电脑功率电源、家用电器等,具有门极输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快、开关损耗小的特点。但随着下游应用发展越来越快,MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻,人们曾经尝试通过提高MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻,但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压。如果在MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构,就不仅能够保留MOSFET的原有优点,还可以通过BJT结构提高器件的电流能力。
BJT即为双极型晶体管,而MOS管只有多子导电,称为单极型器件。在放大状态工作时,三极管发射结正偏,有基极电流,相应的输入电阻较小,约为103Ω。由于BJT 是双极性器件,在工作过程中,器件结构漂移区中有注入载流子贮存时间,导致其不能在高频下工作。
在经过技术上的不断改进后,结合了两者优势的IGBT应运而生。目前,IGBT已经能够覆盖从600V~6500V的电压范围,应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。IGBT凭借其高工作频率、高电流性能、开关损耗小等优点在庞大的功率器件世界中赢得了自己的一片领域。
按照IGBT模块工作时的电压,它的应用领域大致分为五类:
650V——应用于新能源汽车、家电和工业变频;
1200V——应用于光伏、电磁炉、电焊机、新能源汽车行业;
1700V——应用于太阳能,风电等领域;
3300V——应用于动车、高铁、国家电网等领域;
6500V——高铁、工业电机、动车、智能电网等领域;
从IGBT下游应用领域的占比来看,前三个场景分别是新能源汽车(占比31%)、家电(占比27%)、工业控制(占比为20%)。
总结:
IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点,是电动汽车核心技术之一,直接影响电动车功率的释放速度。
IGBT在电动汽车中的作用是实现交流电和直流电的转换,同时承担电压的高低转换功能。在现代交通系统中,IGBT的重要性不言而喻,如直流充电桩、电力机车、动车组、地铁等都离不开IGBT。IGBT约占电机驱动系统成本的一半,是除电池之外成本第二高的元件。
IGBT在新能源电动汽车中的应用至关重要,它不仅关系到电动汽车的性能,还直接影响整车成本。IGBT作为电力电子装置的核心器件,其性能和可靠性对电动汽车的能源效率和续航里程有着重要影响。
然而,中国在IGBT领域与国际先进水平相比仍有较大差距,目前仍处于追赶阶段。尽管如此,国产IGBT企业已经开始布局产业链,通过合作和技术创新,逐步缩小与国际先进水平的差距。随着技术的进步和市场的推动,相信中国在IGBT领域也将取得更多的突破和发展。
1、IGBT定义
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管
IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品
2、IGBT的用途
IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,应用于直流电压为600V及以上的变流系统如轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。
封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上
3、IGBT模块的特点
IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点
4、用最简单的语言概括IGBT的功能和作用
控制能源的变换和传输
5、为什么电动汽车需要IGBT?
IGBT的作用是交流电和直流电的转换,同时IGBT还承担电压的高低转换的功能。
外界充电的时候是交流电,需要通过IGBT转变成直流电然后给电池,同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。
电池放电的时候,把通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电,同时起到对交流电机的变频控制,当然变压是必不可少的。
IGBT是功率半导体器件,可以说是电动车的的核心技术之一,IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度。
6、IGBT的工作原理
以空调压缩机为例:国内规定的电压220V,频率50Hz的电流经整流滤波后得到310V左右的直流电,此直流电经过逆变后,就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源,这就能将50赫兹的电网频率转变为30-130赫兹,利用电源频率可以控制平滑控制压缩机转速,达到自动无级变速,使压缩机始终处于最佳工作状态。
在电动车上,可以把电机看成压缩机。两者原理几乎完全一致。
7、IGBT在现代交通系统中的重要性
直流充电桩30%的原材料成本是IGBT
电力机车一般需要500个IGBT模块
动车组需要超过100个IGBT模块
一节地铁需要50-80个IGBT模块
8、IGBT成本的重要性
IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。
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