IGBT的应用场景与应用实例

自20世纪80年代末开始工业应用以来，IGBT（绝缘栅双极晶体管）经历了快速发展。它不仅取代了工业应用中的MOS、GTR等器件，也逐渐取代了消费电子应用中广泛使用的BJT、MOS等功率器件，甚至在原本由SCR、SCR为主的大功率领域占有一席之地。GTO、IGBT作为新型功率半导体器件的代表，是国际上广泛认可的第三次电力电子技术革命的典型产物。
 

 

IGBT已广泛应用于工业、通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天、国防军工等传统行业，同时也应用于轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性领域新兴产业。

 

新能源汽车

 

IGBT在电动汽车、充电桩等设备中发挥着核心技术作用。在电动汽车中，IGBT主要应用于电控系统中，驱动大功率DC/AC变频电机。此外，它还用作汽车空调控制系统和智能充电桩中的开关元件。

 

IGBT在电机驱动系统中约占一半的成本比例，不仅体现在电机驱动上，还延伸到新能源发电、空调等领域。以特斯拉 Model 3 为例，其动力来源来自装载有 7000 节 18650 电池的电池组。这些电池重900公斤，为85kWh电池组提供400伏直流电。然而，特斯拉电动汽车的电机需要采用交流电驱动，通过调节电机交流电的频率来控制转速，可以精确调节车辆的速度和加速性能。特斯拉电动汽车能够在短短3秒内加速到100公里/小时，这得益于交流电机的快速启动速度，其中IGBT发挥了关键作用。

 

充电桩从标准 220 伏交流电网获取电力，而特斯拉电动汽车的电池需要直流电充电。这就需要IGBT将交流电转换为直流电，并将电压升压至电动汽车所需的400伏，以满足7000节18650电池的充电需求。IGBT的性能直接影响电动汽车的充电效率和速度。特斯拉电动汽车的充电过程，以及其高效率、快速充电能力，都与IGBT密切相关。

 

在导通状态下，IGBT可承受数十至数百安培的电流；在断开状态下，可承受数百至数千伏的电压。此外，在极高的电流和电压条件下，IGBT还表现出高达每秒10,000次的优异开关速度。因此，IGBT的品质直接决定电动汽车的加速性能、最高速度、能耗水平，以及能否实现二级启动、换挡平顺、停车平稳等核心特性。因此，将IGBT称为电动汽车的心脏是恰当的。

 

智能电网

 

智能电网的发电端、输电端、变电端和用电端都需要使用IGBT。IGBT在智能电网领域的应用非常广泛，涵盖了许多关键环节，为电力系统的高效运行和能量管理提供了重要支撑。

 

1.发电机

 

在智能电网中，风力发电和光伏发电是重要的可再生能源，其产生的交流电需要通过整流器和逆变器转换为直流或交流电才能与电力系统融合。这些转换过程需要 IGBT 实现高效的功率转换并确保稳定的能量注入电网。

 

2.传输端

 

特高压直流（UHVDC）技术在智能电网中发挥着关键作用，它可以将电能远距离传输到不同区域并减少传输损耗。在特高压直流系统中，柔性交流输电技术（FACTS）需要大量使用IGBT来实现潮流的精确控制，以维持电力系统的稳定性和可靠性。

 

3.变电站

 

电力电子变压器是智能电网的重要组成部分，用于实现电能的变换和分配。在变电站端，采用IGBT作为控制电能变换的关键器件，使电网可以根据需要调节电压和频率，以适应不同的输配电需求。

 

4.电源端

 

智能电网中的电力消费者包括家庭、商业和工业用电等。空调、洗衣机等家用白色家电、微波炉、LED照明驱动器和其他消费电器需要高效的能量转换和控制。这时，IGBT就发挥了关键作用。通过对IGBT的精确控制，可以实现电能的高效利用和节能。

 

轨道交通

 

现代轨道交通中，交流传动技术是核心之一，牵引变流器是关键部件，IGBT在其中发挥着重要作用。IGBT作为牵引变流器的核心器件，广泛应用于轨道交通车辆的牵引变流器和辅助变流器中。

 

此外，IGBT还广泛应用于其他领域，如电源应用、UPS系统、电动汽车电机驱动、逆变器、太阳能逆变器等。与BJT相比，它具有开关损耗更低、缓冲电路要求更小的优点，使其在各种应用中展现出强大的性能和潜力。

 

1.电机驱动电路

在逆变电路中，广泛采用IGBT作为开关元件，实现直流到交流的转换过程。这种转换技术可用于各种尺寸的电机驱动器。特别是在空调和冰箱等家用电器、工业电机以及汽车主电机控制器中，用于逆变器应用的IGBT在提高这些系统的效率水平方面发挥着重要作用。

 

2.不间断电源电路（UPS）

IGBT 具有高效率和节省空间的特点，主要应用于中大容量型号，包括几 kVA 甚至更高容量的型号。

 

家用电器

感应加热技术旨在通过利用 LC 谐振实现零电压开关 (ZVS) 或零电流开关 (ZCS) 来最大限度地减少开关损耗。鉴于谐振电压或电流较高，应用时通常选择IGBT。更具体地说，IGBT常用于感应加热系统，例如电磁炉、电磁炉、微波炉等。

 

IGBT比MOSFET的开关速度更快吗？

 

一般来说，MOSFET 由于其单极晶体管行为而开关速度通常更快，而 IGBT 速度较慢，但能够处理更高的电压和电流水平。IGBT（绝缘栅双极晶体管）和 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）具有不同的开关特性，其中一种是否比另一种更快取决于应用。