TSXDMZ28DTK 從功能上來說,IGBT就是一個由晶體管實現的電路開關。當其導通時,可以承受幾十到幾百安培量級的電流;當其關斷時,可以承受幾百至幾千伏特的電壓。
家里的電燈開關是用按鈕控制的。IGBT作為晶體管的一種,它不用機械按鈕,而是由別的電路來控制的。具體點說,IGBT的簡化模型有3個接口,有兩個(集電極、發射極)接在強電電路上,還有一個接收控制電信號,叫作門極。給門極一個高電平信號,開關(集電極與發射極之間)就通了;再給低電平信號,開關就斷了。給門級發出控制指令的電路稱為控制電路,你可以理解為是一種“計算機”,只不過實際用的“計算機”通常是單片機或者是叫作DSP的微處理器,擅長處理數字信號,比較小巧,甚至對于一些很基本的應用,可能靠一些簡單的芯片和電路就可以實現控制,無需編程。但要注意的是,門級所謂數字信號的電壓也需要10到20伏特,所以在控制電路和IGBT之間還需要一個小的“驅動電路”來進行信號的轉換。
這種可以用數字信號控制的強電開關還有很多種。作為其中的一員,IGBT的特點是,在它這個電流電壓等級下,它支持的開關速度是最高的,一秒鐘可以開關近萬次。換言之,IGBT開關頻率可以達到10kHz級別。GTO以前也用在軌道交通列車上,但是GTO開關速度低,所以現在只有在電壓電流超過IGBT承受范圍的場合才使用。IGCT本質上也是GTO,不過結構做了優化,其開關速度和電壓電流都介于GTO和IGBT之間。另一方面,比IGBT開關速度更快的是大功率MOSFET,但其支持的電壓電流均小于IGBT。
要這么快的開關干什么用?常見的強電只有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,光伏電站發出的直流電,也無法轉換為交流。而利用IGBT這種開關,人們可以設計出一類電路,通過控制IGBT,把電源側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。這類電路統稱電力電子電路,由電力電子電路做成的設備稱為變換器。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是花樣最多的,一般直接稱為變換器。
怎么實現的?需要講一下PWM(脈寬調制)的概念。這個道理可以用照明燈接觸不良時快速閃爍來類比。閃爍的燈看起來沒有正常的燈亮,這是因為閃爍的燈亮0.1秒,又滅0.1秒,總共0.2秒的時間內它只發出了正常燈0.1秒的光能,所以顯得暗。功率電路的本質是傳輸電能,所以也可以利用這個原理。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,它就等效于用電器兩端始終接著200V的電壓。我們管這個只持續0.2秒的300V電壓叫脈沖,通過改變脈沖在0.3秒內占據的時間(也就是脈寬),就可以實現等效電壓在這個時刻內成為0~300V內的任何一個值,所謂的脈寬調制一詞就是這么來的。電壓一高一低變化的總時間越短,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
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