从功能方面来看,IGBT模块就是一个由晶体管实现的电路开关。当其导通时,可以承受几十到几百安培量级的电流;当其关断时,可以承受几百至几千伏特的电压。
IGBT模块作为晶体管,其不用机械按钮,而是由别的电路来控制的。IGBT模块的简化模型有3个接口,分别是集电极、发射极和门极。其中,集电极与发射极接在强电电路上,门极则用于接收控制电信号。当门极接收到高电平信号,开关(集电极与发射极之间)就通了;若接收到低电平信号,开关就断了。给门级发出控制指令的电路称为控制电路,可理解为“计算机”,只不过实际用的“计算机”通常是单片机或者数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor),擅长处理数字信号且较小巧,对于一些基本的应用可靠简单的芯片和电路就可以实现控制,无需编程。但需注意,门级所谓数字信号的电压也需要10到20伏特,所以在控制电路和IGBT模块之间还需要一个小的“驱动电路”来进行信号的转换。
可以用数字信号控制的强电开关还有很多种,作为其中一员的IGBT模块,其特点是在其电流电压等级下,IGBT模块支持的开关速度是最高的,一秒钟可以开关近万次。换言之,IGBT开关频率可以达到10kHz级别。如可关断晶闸管(GTO,Gate Turn Off Thyristor),以前也被应用于轨道交通列车中,但是其开关速度低,所以现在只有在最大电压电流超过IGBT模块承受范围的场合才使用。集成门极换流晶闸管(IGCT,Integrated Gate-Commutated Thyristor)本质上也是GTO,但其结构做了优化,因此开关速度和最大电压电流都介于GTO和IGBT之间。比IGBT开关速度更快的还有大功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor),但其支持的最大电压电流均小于IGBT。
那么,为什么需要这么快的开关呢?常见的强电只有50Hz的交流电,变压器能改变其电压但不能改变它的频率,更不能将其变成直流;另一方面,光伏电站发出的直流电,也无法转换为交流。而利用IGBT,可以设计出一类电路,通过控制IGBT,把电源侧的交流电变成给定电压的直流电,或是把各种电变成所需频率的交流电。这类电路统称电力电子电路,由电力电子电路做成的设备称为变换器。而把交流电变成直流电的电路叫做整流器,把直流电变成交流电的叫做逆变器,而直流变直流的电路一般直接称为变换器。
要实现上述操作,具体需要怎么做呢?这就需要脉冲宽度调制(PWM,Pulse Width Modulation)。功率电路的本质是传输电能,若开启用电器前0.2秒接了300V的电压,后0.1秒接了0V的电压,那在0.3秒内,它就等效于用电器两端始终接着200V的电压。这个只持续0.2秒的300V电压叫脉冲,通过改变脉冲在0.3秒内占据的时间(也就是脉宽),就可以实现等效电压在这个时刻内成为0~300V内的任何一个值,这就是脉冲宽度调制。电压一高一低变化的总时间越短,从宏观上看电压越接近等效电压。实现脉冲宽度调制需要至少两个开关,一个接在用电器和300V之间,一个接在用电器和0V之间,两个开关交替导通才可以实现脉冲宽度调制。
现在有了电压、频率都受控制的强电,这个强电就可以用来驱动高铁的电机。现在高铁使用的都是交流电机,其结构简单且省电,但是转速很难调整。而其转速和输入交流电源的频率有很密切的关系,因此可采用IGBT的变换器来灵活控制电机的转速。反映到高铁上,就是高铁列车的车速,即变压变频控制(VVVF,Variable Voltage and Variable Frequency)。除高铁外,电动汽车、变频空调、风力发电机等很多用到交流电机的场合,都可采用IGBT及配套的电路来控制电机。而发电、电力储能等领域,主要用IGBT进行交流电、直流电之间的转换。
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参考资料:
电子产品世界《高铁中的 IGBT 是什么?都在哪些领域有应用?》
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