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电动汽车工程师想知道的IGBT知识及应用

北极星储能网  来源:电动汽车资源网  作者:雷洪钧  2017/3/3 10:53:11  我要投稿  

北极星储能网讯:随着上市的电动汽车越来越多,普及电动汽车有关知识显得越来越来重要了。对汽车工程技术人员要求就高一些,什么是电机?什么是电机控制器?什么是逆变器?什么是IGBT?这些知识及应用常识以前没有学过,今天却要求掌握,否则会成为外行,如果不及时补充这些知识,最后可能会被淘汰掉。

如今电动汽车应用越来越多的新知识、新技术,如:电机控制器或者逆变器型号、规格越来越多。要真正理解它的工作原理,必须要对其基础理论进行学习,有了基础知识,再结合实际产品进行对照,基本上可以掌握电机控制器或者逆变器的工作原理,进而就可以科学匹配设计。下面对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及应用进行讨论,供初级工程技术人员参考。

一、“绝缘栅双极型晶体管”的通俗理解

绝缘栅双极型晶体管是《电工学》中的一个专业术语,如何正确理解有一定难度。笔者对个这术语进行通俗的解释。

①管:理解水管的功能即可。水从管子一头流进去,从另一头流出。水是液体的,管子对水而言,就是导管。

②晶体管:水管子的材料有水泥的,也有用橡胶的等。晶体管的材料是晶体结构的,电子可以这一“头”流进去,从另一“头”流出。水管中是“空”腔,水才能流动,晶体结构材料的晶体“管”里也有“空”腔的,电子才能流动。不过水管的“空”腔,肉眼可以看到,而晶体管的“空”腔,肉眼是看不到的。于是有把“头”换成“极”,即可以这样表述了,即电子可以这一“极”流进去,从另一“极”流出。最典型是晶体二极管。二极管最大特点,只容许电子在里面的流动是单向的(正向流动),反向是流不通的。这个特性,对二极管而言,叫做单向导通性能。

④双极型晶体管:把2个二极管的开关特性进行组合起来,且进行控制,可行实现电子在晶体管中的双向流动。好比水管中间装一些三通,配合一些阀门,水的流向、流量可行进行控制了。在二级管基础进行新组合,对双极型晶体管而言,有了开关特性了。

⑤绝缘栅双极型晶体管:绝缘栅简单理解是一个阀门。通俗的理解,是带阀门控制的能控制电子双向(多向)流动的晶体管。

二、认识绝缘栅双极型晶体管

(1)二极管

①不同二极管外形:外形有圆柱`圆球`半透明玻璃,现在有贴片,工业有铁壳的,晶体二极管是用硅或锗材料制造的半导体器件,它的内部是一个具有单向导电性的PN结。一头是正极,一头是负极。

图1不同二极管的外形

②二极管特性:正向导通,反向截至的特性。一头是正极,一头是负极,电流从正极流向负极。

③按用途分为:整流,稳压,开关,光敏,热敏,发光等二极管。

(2)三极管

三极管比二极管多一个极(通俗地理解是三个引线,二极管是二个引线)。二极管正向导通,反向截至的特性是材料特性。三极管是在二极管的特性上,有了控制特性,这是产品特性了。

①三极管外形及符号:

图2三极管外形及符号

②其开关原理

当Vin为低电压时,由于基极没有电流,因此集电极亦无电流,致使连接于集电极端的负载亦没有电流,而相当于开关的开启,此时三极管乃工作于截止(cutoff)区;

同理,当Vin为高电压时,由于有基极电流流动,因此使集电极流过更大的放大电流,因此负载回路便被导通,而相当于开关的闭合,此时三极管乃工作于饱和区(saturation)。

(3)场效应晶体管

也叫电力场效应晶体管,是一种电压控制器件,从外表来看,仍然是三根引线,场效应晶体管已经很多个PN结的集成电路了,其生产工艺比二、三管复杂多了。

①场效应晶体管内部结构、符号、集成板

图3场效应晶体管内部结构、符号、集成板

②场效应晶体管

有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,其电流、热容量小,耐压低,易于驱动和开关频率可高达500kHz。

③场效应晶体管基本用途

适于高频化电力电子装置,如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。

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