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核桃設(shè)計(jì)分享
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一文搞懂,高大上的IGBT

三極管,MOS管,核桃相信多數(shù)小伙伴們都熟悉,但,IGBT估計(jì)用的就少了,除非在學(xué)校就能接觸到或者一畢業(yè)就從事變頻器,伺服驅(qū)動(dòng)器,壓縮機(jī),電源模塊,新能源汽車等產(chǎn)品的。那為了大伙能更加容易的去理解IGBT,核桃打算從大伙熟悉的三極管和MOS為切入點(diǎn)展開!

先看一個(gè)簡單開關(guān)電路,如下圖1所示:

右邊是電源輸出給到負(fù)載的波形,很容易理解,那人手控制開關(guān)太累了,如何讓機(jī)器按照人的意愿來實(shí)現(xiàn)上面圖1的效果,其實(shí)很簡單,把開關(guān)換成三級(jí)管和MOS管再加上MCU即可。如下圖2所示:

在一些低功率和低壓項(xiàng)目上,用三極管和MOS管都是沒問題,但在一些高壓,高功率的場合中,三極管和MOS管就都顯得力不從心了,那這個(gè)時(shí)候IGBT就應(yīng)運(yùn)而生了。

這個(gè)時(shí)候有小伙伴就有疑問了,雖然MOS管天生耐壓就不高,那三極管為什么不能用?學(xué)過三極管的都知道,三極管Ic流主要由Ib和β來控制,假如要Ic的電流達(dá)到200A,那Ib的電流起碼要2A(假設(shè)β=100),也就是說MCU這邊要輸出2A的電流給到三極管的B極,如下圖所示:

這對(duì)于MCU來說顯然是不合理的(MCU的管腳驅(qū)動(dòng)能力只能是ma級(jí)別),那該怎么辦,其實(shí)聰明的科學(xué)家早就想到了方案,沒錯(cuò),就是把MOS管結(jié)合進(jìn)去,如下基本框圖所示:

而IGBT就是三極管和MOS管的結(jié)合器件,具備三極管的耐高壓能力,同時(shí)也兼顧了MOS的低輸入損耗。

IGBT模塊解刨圖:

三者參數(shù)對(duì)比:

總結(jié):IGBT優(yōu)點(diǎn):
(1)結(jié)合MOS管的電壓控制與雙極型晶體管(BJT)的低導(dǎo)通壓降特性,提升整體能效‌。
(2)導(dǎo)通電阻低,在高壓(>600V)場景下?lián)p耗顯著低于MOS管,尤其適合大功率應(yīng)用‌。
(3)耐壓可達(dá)數(shù)千伏(如1200V以上),且可承載數(shù)百安培電流,適用于逆變器、電動(dòng)汽車等高功率領(lǐng)域‌。
(4)柵極電壓控制,驅(qū)動(dòng)功耗低且電路設(shè)計(jì)簡化‌。
(5)硅基材料熱導(dǎo)率(約150 W/m·K)支持高溫工作‌。
IGBT缺點(diǎn):
(1)高頻性能弱于MOS管(MHz級(jí)),受制于關(guān)斷時(shí)的“尾電流”效應(yīng),導(dǎo)致開關(guān)損耗增加‌。
(2)無法直接處理交流波形,需外接反并聯(lián)二極管實(shí)現(xiàn)雙向電流控制‌。
(3)反向阻斷能力差,高反向電壓需額外電路保護(hù)‌。
(4)制造工藝復(fù)雜,價(jià)格高于BJT和MOS管‌。
(5)內(nèi)部寄生晶閘管結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致閉鎖效應(yīng),限制最大工作電流‌。那目前碳化硅(Sic)器件,已經(jīng)在逐步替代IGBT在新能源汽車,光伏等高頻高壓領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

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