IGBT的作用是什么?举例说明?

半导体守护者 2024-04-11 18:24:34

IGBT主要是用来做能源转换和传输的,在新能源车,智能电网,航空航天和通信方面有广泛的应用。

IGBT全称叫做:绝缘栅双极型晶体管,是一种在新能源车上应用极其广泛的半导体。什么是半导体?金属导电性能好,称为导体,塑料,陶瓷,木头导电性能不好,称为绝缘体。半导体是导电性能介于导体和绝缘体中间。

而IGBT是一种由控制电路来控制,是否导电的半导体。比如控制电路指示为通,那么IGBT就是导体,电流畅通,如果控制电路指示为断,那么IGBT就是绝缘体,电流断开。

IGBT只要通过脉宽调制,就能轻松的把输入的直流电流变成人们所需要频率的交流电,或者反过来。

比如在电动汽车特斯拉Model 3上,提供电源的是,7000节18650电池,这些重量900公斤的容量为85kWh电池提供400伏直流电,而特斯拉电动车的电机转动必须用交流电,通过改变电机的交流电的频率,来改变电机的转速,从而精准的改变车辆行驶的速度和加速能力。电动汽车3秒可以加速到100公里的强悍起步能力,就是因为交流电机转速启动特别快,后面就是IGBT的功劳。

在充电桩上,充电桩从电网上接出来的电流是标准的220伏交流电,而特斯拉电动汽车的电池充电,需要直流电充电,这就需要IGBT将交流电变成直流电,并把电压提高到电动车需要的400伏的电压上,才能给7000节18650电池充电。IGBT的性能直接决定了电动车的充电效率和充电速度。

IGBT导通的时候,能够承受几十到几百安培量级的电流,当断开时,可以承受几百到几千伏的电压,而且IGBT在巨大的电流电压下,还能有极高的开关速度,一秒钟能达到1万次。因此IGBT的好坏,就直接决定了电动汽车的加速快慢,最高时速是多少,电耗高低,能不能秒级起跑,能不能平滑变速,能不能稳定停车等核心性能全靠IGBT,因此称IGBT为电动汽车的心脏不为过。而这个如此重要的核心器件,大小只有我们手指甲盖大小。

目前IGBT硅基Si的功率器件驱动系统,已经接近了材料本身的天花板,性能更强的Sic碳化硅出现了,碳化硅Sic器件能提高2.5倍的工作频率,耐压扩充10倍到2万伏,降低了80%的工作损耗,Sic器件的工作结温在200度以上,而且能做到很高耐压的情况下芯片很薄,散热良好并且节省空间。Sic碳化硅IGBT缺点就是成本比Si硅基IGBT贵6倍,因为高氧栅极影响造成良品率问题,但是Sic的强大的性能依然获得众多厂商的力捧,特斯拉Model 3换成Sic IGBT以后,续航直接从420公里上升到660公里,充电15分钟就能补充250公里航程,真香。

IGBT是能源转换和传输的核心器件,其他的由电驱动的电动车,比如高铁也大量应用IGBT,一辆高铁上要用到接近200个IGBT芯片,IGBT很贵,一块进口三菱的高铁IGBT控制芯片价值15万左右,光IGBT芯片就占到整车成本的15%左右。特斯拉Model 3上使用了150个左右的IGBT芯片,是除了电池最贵的组件,占到总成本的20%以上。

其他在智能电网,航空航天,通信方面,IGBT也应用广泛。2020年全球IGBT市场规模约100亿美元,而且年复合增长率15%,增速惊人。可惜之前IGBT市场基本上为国外厂商比如英飞凌,三菱等公司垄断,中国有自主知识产权,做的比较好的是比亚迪,中国的企业在奋起直追,努力抹平和世界一流厂商的差距,加油,中国的IGBT厂商!

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