IGBT的應用場景與應用實例

自20世紀80年代末開始工業(yè)應用以來，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）經(jīng)歷了快速發(fā)展。它不僅取代了工業(yè)應用中的MOS、GTR等器件，也逐漸取代了消費電子應用中廣泛使用的BJT、MOS等功率器件，甚至在原本由SCR、SCR為主的大功率領(lǐng)域占有一席之地。GTO、IGBT作為新型功率半導體器件的代表，是國際上廣泛認可的第三次電力電子技術(shù)革命的典型產(chǎn)物。

IGBT已廣泛應用于工業(yè)、通信、計算機、消費電子、汽車電子、航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)行業(yè)，同時也應用于軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性領(lǐng)域新興產(chǎn)業(yè)。

新能源汽車

IGBT在電動汽車、充電樁等設備中發(fā)揮著核心技術(shù)作用。在電動汽車中，IGBT主要應用于電控系統(tǒng)中，驅(qū)動大功率DC/AC變頻電機。此外，它還用作汽車空調(diào)控制系統(tǒng)和智能充電樁中的開關(guān)元件。

IGBT在電機驅(qū)動系統(tǒng)中約占一半的成本比例，不僅體現(xiàn)在電機驅(qū)動上，還延伸到新能源發(fā)電、空調(diào)等領(lǐng)域。以特斯拉 Model 3 為例，其動力來源來自裝載有 7000 節(jié) 18650 電池的電池組。這些電池重900公斤，為85kWh電池組提供400伏直流電。然而，特斯拉電動汽車的電機需要采用交流電驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)電機交流電的頻率來控制轉(zhuǎn)速，可以精確調(diào)節(jié)車輛的速度和加速性能。特斯拉電動汽車能夠在短短3秒內(nèi)加速到100公里/小時，這得益于交流電機的快速啟動速度，其中IGBT發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

充電樁從標準 220 伏交流電網(wǎng)獲取電力，而特斯拉電動汽車的電池需要直流電充電。這就需要IGBT將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并將電壓升壓至電動汽車所需的400伏，以滿足7000節(jié)18650電池的充電需求。IGBT的性能直接影響電動汽車的充電效率和速度。特斯拉電動汽車的充電過程，以及其高效率、快速充電能力，都與IGBT密切相關(guān)。

在導通狀態(tài)下，IGBT可承受數(shù)十至數(shù)百安培的電流；在斷開狀態(tài)下，可承受數(shù)百至數(shù)千伏的電壓。此外，在極高的電流和電壓條件下，IGBT還表現(xiàn)出高達每秒10,000次的優(yōu)異開關(guān)速度。因此，IGBT的品質(zhì)直接決定電動汽車的加速性能、最高速度、能耗水平，以及能否實現(xiàn)二級啟動、換擋平順、停車平穩(wěn)等核心特性。因此，將IGBT稱為電動汽車的心臟是恰當?shù)摹?/span>

智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端和用電端都需要使用IGBT。IGBT在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應用非常廣泛，涵蓋了許多關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為電力系統(tǒng)的高效運行和能量管理提供了重要支撐。

1.發(fā)電機

在智能電網(wǎng)中，風力發(fā)電和光伏發(fā)電是重要的可再生能源，其產(chǎn)生的交流電需要通過整流器和逆變器轉(zhuǎn)換為直流或交流電才能與電力系統(tǒng)融合。這些轉(zhuǎn)換過程需要 IGBT 實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換并確保穩(wěn)定的能量注入電網(wǎng)。

2.傳輸端

特高壓直流（UHVDC）技術(shù)在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它可以將電能遠距離傳輸?shù)讲煌瑓^(qū)域并減少傳輸損耗。在特高壓直流系統(tǒng)中，柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）需要大量使用IGBT來實現(xiàn)潮流的精確控制，以維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.變電站

電力電子變壓器是智能電網(wǎng)的重要組成部分，用于實現(xiàn)電能的變換和分配。在變電站端，采用IGBT作為控制電能變換的關(guān)鍵器件，使電網(wǎng)可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)電壓和頻率，以適應不同的輸配電需求。

4.電源端

智能電網(wǎng)中的電力消費者包括家庭、商業(yè)和工業(yè)用電等?？照{(diào)、洗衣機等家用白色家電、微波爐、LED照明驅(qū)動器和其他消費電器需要高效的能量轉(zhuǎn)換和控制。這時，IGBT就發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過對IGBT的精確控制，可以實現(xiàn)電能的高效利用和節(jié)能。

軌道交通

現(xiàn)代軌道交通中，交流傳動技術(shù)是核心之一，牽引變流器是關(guān)鍵部件，IGBT在其中發(fā)揮著重要作用。IGBT作為牽引變流器的核心器件，廣泛應用于軌道交通車輛的牽引變流器和輔助變流器中。

此外，IGBT還廣泛應用于其他領(lǐng)域，如電源應用、UPS系統(tǒng)、電動汽車電機驅(qū)動、逆變器、太陽能逆變器等。與BJT相比，它具有開關(guān)損耗更低、緩沖電路要求更小的優(yōu)點，使其在各種應用中展現(xiàn)出強大的性能和潛力。

1.電機驅(qū)動電路

在逆變電路中，廣泛采用IGBT作為開關(guān)元件，實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換過程。這種轉(zhuǎn)換技術(shù)可用于各種尺寸的電機驅(qū)動器。特別是在空調(diào)和冰箱等家用電器、工業(yè)電機以及汽車主電機控制器中，用于逆變器應用的IGBT在提高這些系統(tǒng)的效率水平方面發(fā)揮著重要作用。

2.不間斷電源電路（UPS）

IGBT 具有高效率和節(jié)省空間的特點，主要應用于中大容量型號，包括幾 kVA 甚至更高容量的型號。

家用電器

感應加熱技術(shù)旨在通過利用 LC 諧振實現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS) 或零電流開關(guān) (ZCS) 來最大限度地減少開關(guān)損耗。鑒于諧振電壓或電流較高，應用時通常選擇IGBT。更具體地說，IGBT常用于感應加熱系統(tǒng)，例如電磁爐、電磁爐、微波爐等。

IGBT比MOSFET的開關(guān)速度更快嗎？

一般來說，MOSFET 由于其單極晶體管行為而開關(guān)速度通常更快，而 IGBT 速度較慢，但能夠處理更高的電壓和電流水平。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）具有不同的開關(guān)特性，其中一種是否比另一種更快取決于應用。