IGBT作为主流的新型电力电子器件之一,它在轨道交通、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。
2018年IGBT市场份额分布图:
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。
英飞凌IGBT模块应用于变频电源行业的型号:
No | 英飞凌型号 | 主要参数电压/电流 | 封装 | 最高开关频率 | 供电电压 |
1 | BSM100GB60DLC | 600V 100A 半桥 | 34mm | 30kHz | AC220V |
2 | BSM150GB60DLC | 600V 150A 半桥 | 34mm | 30kHz | AC220V |
3 | BSM200GB60DLC | 600V 200A 半桥 | 34mm | 30kHz | AC220V |
4 | FF300R06KE3 | 600V 300A 半桥 | 62mm | 30kHz | AC220V |
5 | FF400R06KE3 | 600V 400A 半桥 | 62mm | 30kHz | AC220V |
6 | FF50R12RT4 | 1200V 50A 半桥 | 34mm | 20kHz | AC380V |
7 | FF75R12RT4 | 1200V 75A 半桥 | 34mm | 20kHz | AC380V |
8 | FF100R12RT4 | 1200V 100A 半桥 | 34mm | 20kHz | AC380V |
9 | FF150R12RT4 | 1200V 150A 半桥 | 34mm | 20kHz | AC380V |
10 | FF200R12KT4 | 1200V 200A 半桥 | 62mm | 20kHz | AC380V |
11 | FF300R12KT4 | 1200V 300A 半桥 | 62mm | 20kHz | AC380V |
12 | FF450R12KT4 | 1200V 450A 半桥 | 62mm | 20kHz | AC380V |
34mm封装 62mm封装
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。广泛适用于光伏发电、电动汽车控制器、UPS、机车逆变器等。
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:三电平拓扑、Boost电路等。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。
机车逆变器三电平拓扑结构:
光伏逆变器(PV inverter或solar inverter)可以将光伏(PV)太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电(AC)的逆变器,可以反馈回商用输电系统,或是供离网的电网使用。
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