家里的電燈開關(guān)是用按鈕控制的。IGBT作為晶體管的一種，它不用機(jī)械按鈕，而是由別的電路來控制的。具體點(diǎn)說，IGBT的簡化模型有3個(gè)接口，有兩個(gè)（集電極、發(fā)射極）接在強(qiáng)電電路上，還有一個(gè)接收控制電信號(hào)，叫作門極。給門極一個(gè)高電平信號(hào)，開關(guān)（集電極與發(fā)射極之間）就通了；再給低電平信號(hào)，開關(guān)就斷了。給門級(jí)發(fā)出控制指令的電路稱為控制電路，你可以理解為是一種“計(jì)算機(jī)”，只不過實(shí)際用的“計(jì)算機(jī)”通常是單片機(jī)或者是叫作DSP的微處理器，擅長處理數(shù)字信號(hào)，比較小巧，甚至對(duì)于一些很基本的應(yīng)用，可能靠一些簡單的芯片和電路就可以實(shí)現(xiàn)控制，無需編程。但要注意的是，門級(jí)所謂數(shù)字信號(hào)的電壓也需要10到20伏特，所以在控制電路和IGBT之間還需要一個(gè)小的“驅(qū)動(dòng)電路”來進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
這種可以用數(shù)字信號(hào)控制的強(qiáng)電開關(guān)還有很多種。作為其中的一員，IGBT的特點(diǎn)是，在它這個(gè)電流電壓等級(jí)下，它支持的開關(guān)速度是最高的，一秒鐘可以開關(guān)近萬次。換言之，IGBT開關(guān)頻率可以達(dá)到10kHz級(jí)別。GTO以前也用在軌道交通列車上，但是GTO開關(guān)速度低，所以現(xiàn)在只有在電壓電流超過IGBT承受范圍的場合才使用。IGCT本質(zhì)上也是GTO，不過結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，其開關(guān)速度和電壓電流都介于GTO和IGBT之間。另一方面，比IGBT開關(guān)速度更快的是大功率MOSFET，但其支持的電壓電流均小于IGBT。
要這么快的開關(guān)干什么用？常見的強(qiáng)電只有50Hz的交流電，變壓器能變它的電壓，但是不能改變它的頻率，更不能把它變成直流；另一方面，光伏電站發(fā)出的直流電，也無法轉(zhuǎn)換為交流。而利用IGBT這種開關(guān)，人們可以設(shè)計(jì)出一類電路，通過控制IGBT，把電源側(cè)的交流電變成給定電壓的直流電，或是把各種電變成所需頻率的交流電。這類電路統(tǒng)稱電力電子電路，由電力電子電路做成的設(shè)備稱為變換器。特別的，把交流電變成直流電的電路叫做整流器，把直流電變成交流電的叫做逆變器，而直流變直流的電路其實(shí)是花樣最多的，一般直接稱為變換器。
怎么實(shí)現(xiàn)的？需要講一下PWM（脈寬調(diào)制）的概念。這個(gè)道理可以用照明燈接觸不良時(shí)快速閃爍來類比。閃爍的燈看起來沒有正常的燈亮，這是因?yàn)殚W爍的燈亮0.1秒，又滅0.1秒，總共0.2秒的時(shí)間內(nèi)它只發(fā)出了正常燈0.1秒的光能，所以顯得暗。功率電路的本質(zhì)是傳輸電能，所以也可以利用這個(gè)原理。如果用電器前0.2秒接了300V的電壓，后0.1秒接了0V的電壓，那在0.3秒內(nèi)，它就等效于用電器兩端始終接著200V的電壓。我們管這個(gè)只持續(xù)0.2秒的300V電壓叫脈沖，通過改變脈沖在0.3秒內(nèi)占據(jù)的時(shí)間（也就是脈寬），就可以實(shí)現(xiàn)等效電壓在這個(gè)時(shí)刻內(nèi)成為0~300V內(nèi)的任何一個(gè)值，所謂的脈寬調(diào)制一詞就是這么來的。電壓一高一低變化的總時(shí)間越短，從宏觀上看電壓越接近等效電壓。
通過較高電壓直流電和PWM方法，得到任意較低電壓直流電的示意圖
通過直流電和PWM方法，得到不同電壓、不同頻率交流電的示意圖
如果你仔細(xì)看了上一段的說明，你會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要至少兩個(gè)開關(guān)，一個(gè)接在用電器和300V之間，一個(gè)接在用電器和0V之間。兩個(gè)開關(guān)交替導(dǎo)通才可以實(shí)現(xiàn)PWM，這和家里的電燈只有一個(gè)開關(guān)是不太一樣的。當(dāng)然，在很多應(yīng)用中，可以將其中一個(gè)開關(guān)替換為二極管，另外一個(gè)開關(guān)的通斷可以自動(dòng)控制二極管的通斷。
總之，我現(xiàn)在有了電壓、頻率都受我控制的強(qiáng)電了。這個(gè)強(qiáng)電就可以用來驅(qū)動(dòng)高鐵的電機(jī)。現(xiàn)在高鐵使用的都是交流電機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡單且省電，但是轉(zhuǎn)速很難調(diào)整。好在它的轉(zhuǎn)速和輸入交流電源的頻率有很密切的關(guān)系，所以就可以用使用IGBT的變換器搞出電壓、頻率受控的強(qiáng)電，來靈活控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。反映到高鐵上，就是高鐵列車的車速。這就是所謂的變壓變頻控制（VVVF）。
除了高鐵，像電動(dòng)汽車、變頻空調(diào)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等很多用到交流電機(jī)的場合，都用得到IGBT及配套的這類電路來控制電機(jī)。光伏發(fā)電、電力儲(chǔ)能等領(lǐng)域，主要用IGBT進(jìn)行交流電、直流電之間的轉(zhuǎn)換。
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