IGBT在新能源汽车中的应用及地位

发布时间：2023-07-05 10:21
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：2961

　　一、igbt的作用与功能

　　IGBT的全名为绝缘栅双极晶体管，具有高电压、大电流、高频率、低导通压降等特点，是一种功率半导体器件，那么igbt有什么用呢?

IGBT在新能源汽车中的应用及地位

　　一般来说，IGBT的主要作用是可以很容易地将输入的高压直流电流转换为高压交流电，只需通过脉宽调制即可实现变频控制，它通过十几伏的门极控制信号，即可实现kV级电压和kA级电流的控制，开关频率可达每秒几万次。

　　二、igbt主要应用在哪些场合

　　igbt的作用主要是高压直流转交流以及变频，在很多场合都有广泛的应用，一般常用igbt的场合主要有：

　　1、新能源汽车

　　IGBT是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件，在电动汽车中发挥着至关重要的作用，主要作用于电动车汽车的充电桩、电动控制系统以及车载空调控制系统。

　　(1)电动控制系统：作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆变后汽车电机的驱动。

　　(2)车载空调控制系统：作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆变。

　　(3)充电桩：智能充电桩中被作为开关元件使用。

　　2、智能电网

　　智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端均需使用IGBT。

　　(1)发电端：风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需使用IGBT。

　　(2)输电端：特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需大量使用IGBT。

　　(3)变电端：IGBT是电力电子变压器的关键器件。

　　(4)用电端：家用白电、微波炉、LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。

　　3、轨道交通

　　众所周知，交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一，可以说该器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。

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第7代IGBT正开始在储能领域大放异彩
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　　在储能技术高速发展的今天，更强的发电与蓄电能力，更高的能源管理效率，更稳定的输送能力都是相关企业追求的方向，这就需要功能更强的IGBT来满足当前储能技术的高需求，而第七代IGBT的出现，正好契合当前储能的发展需要。　　第7代IGBT正加速发展　　IGBT的发展可以追溯至20世纪80年代，最初的IGBT采用了平面穿通(PT)，这种IGBT通过重掺杂的P+衬底开始，但是存在负温度系数、通态压降一致性差等问题，不利于并联使用。尽管如此，它开启了IGBT在电力电子领域的应用。       随着时间的推移，IGBT经历了多次迭代，从非穿通( NPT)结构到场截止( FS)结构的转变，栅极结构也从平面型转向沟槽型(Trench)。这些改进逐步提升了IGBT的性能，包括降低导通压降、缩短开关时间、提高断态电压等，这也是IGBT从第二代到第五代的变化。       到了第六代，IGBT进一步优化了沟槽结构和场截止技术，显著提高了电流密度和能效，降低了开关损耗，同时在高温工作表现上有了显著提升。       而在2018年前后，市场中开始推出的第七代IGBT，引入了微沟槽栅+场截止(Micro Pattern Trench)技术，这是IGBT技术的一次重大飞跃。第七代IGBT的特点包括更高的沟道密度、优化的元胞设计、更低的寄生电容，以及在极端开关速度(如5kV/μs)下仍能保持最佳性能。这使得IGBT7在降低静态损耗、提高开关速度、增强高温工作能力等方面达到新的高度，特别适合于高性能的电动汽车、可再生能源系统和高压直流输电等应用。       其中微沟槽技术能够改善载流子传输特性，从而在不牺牲开关速度的情况下降低静态损耗。这意味着在相同工作条件下，第七代IGBT能更高效地转换电能，减少发热。并且相比第六代IGBT，第七代的静态损耗降低了约30%，这对于提升系统能效和减少冷却需求至关重要。       此外，有数据显示，在相同封装体积下，第七代IGBT的电流输出能力增加了50%以上，这得益于更高的电流密度，使得设备小型化成为可能，或者在不改变体积的前提下提高系统的功率输出。       并且，第七代IGBT也满足了电子行业对更高效率、更小尺寸、更高功率密度和更低损耗的需求。第七代IGBT技术通过实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V，大幅提升了IGBT的性价比。       举个例子，在储能系统中使用第七代IGBT，可以设计出发电和蓄电能力更强的系统，提高能源管理效率，增强储存能力，从而更平稳地将太阳能电力并网到电网中。此外，通过第七代IGBT设计的模块还支持将多余的电力储存在储能系统中，有效缓解太阳能发电的间歇性问题，确保供电的可靠性和稳定性。　　七代IGBT赋能储能产业　　由于七代IGBT的优秀表现，已经有越来越多的企业将这款产品用在储能领域。比如近期上能电气采用了英飞凌IGBT7 EconoDUAL™3实现单机2MW储能变流器PCS，这是使用了英飞凌最新的EconoDUAL 3封装的750A 1200V模块，型号为FF750R12ME7_B11。       而EH-2000-HA-UD采用的FF750R12ME7，这是一款1200V/750A的IGBT模块，芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与英飞凌上一代IGBT4技术不同，IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术，沟道密度更高，芯片厚度更薄，元胞结构及间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现了最佳开关性能。       此外，在近期，安森美也发布了第七代1200V QDual3 IGBT功率模块。与其他同类产品相比，该模块的功率密度更高，且提供高10%的输出功率。       据安森美介绍，该800A QDual3模块基于新的场截止第七代(FS7)IGBT技术，应用于150KW的逆变器中时，QDual3模块的损耗比同类最接近的竞品少200W，从而缩减散热器尺寸，适合用于太阳能发电站中央逆变器、储能系统、商用农业车辆和工业电机驱动器等大功率变流器。       国内也有许多企业相继推出了七代IGBT，如斯达半导体，在2022年便推出了基于第七代微沟槽技术的新一代车规级IGBT芯片，产品型号包括650V/750V/1200V IGBT芯片，采用第七代微沟槽Trench Field Stop技术，可实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V。       此外如贝茵凯也在2023年末研发出了全系列第七代IGBT芯片，并成功实现大批量生产，成功突破国产化领域的技术壁垒。这款第七代IGBT产品在性能方面显著优于同类中采用传统制程的IGBT芯片，有效解决了导通损耗与开关损耗难以平衡的问题，具备低导通损耗与低开关损耗的双重优势，适用频率范围也得以拓宽，最高适用频率从15kHz-20kHz提升至30kHz-40kHz。       目前该产品已经通过多家行业领军企业的严格测试与认证，并已在电动汽车、风力发电、光伏逆变器及高端化学储能等领域实现小规模供应。       韦尔股份近期也新获得了一项实用新型专利授权，专利名为“一种新型沟槽IGBT结构”，该专利提供了一种新型沟槽IGBT结构，该结构通过减少栅极接触孔的方式，将对应的栅极沟槽中的多晶硅转变成第一发射极沟槽的多晶硅，从而减小栅极电容，使器件开通速度变快，降低开通损耗。而新型沟槽正是七代IGBT的显著特点。       此外如新洁能、振华科技、安建科技等都已经在第七代IGBT中有所建树，为中国乃至全球的新能源汽车、光伏储能、工业控制等领域提供了先进的功率半导体解决方案。　　小结　　在国际上，安森美等欧美日企业凭借其深厚的技术积累和资金实力，在第七代IGBT技术开发及商业化方面走在前列。而中国IGBT企业如斯达半导、新洁能等也在加速追赶，成功研发并推出了第七代IGBT产品，标志着国内企业在IGBT核心技术上的重大突破。尤其储能产业的快速发展，也为七代IGBT提供了巨大的应用市场，反过来七代IGBT也加速了储能市场的发展。
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如何选择IGBT？
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　　碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体的应用日益增多，然而，在这些新技术出现之前，许多高功率应用都是使用高效、可靠的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，事实上，许多此类应用仍然适合继续使用 IGBT。在本文中，我们介绍 IGBT 器件的结构和运行，并列举多种不同 IGBT 应用的电路拓扑结构，然后探讨这种多用途可靠技术的新兴拓扑结构。　　IGBT 器件结构简而言之，IGBT 是由 4 个交替层 (P-N-P-N) 组成的功率半导体晶体管，通过施加于金属氧化物半导体 (MOS) 栅极的电压进行控制。这一基本结构经过逐渐调整和优化后，可降低开关损耗，且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 将沟槽栅与场截止结构相结合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行为。该方法有助于降低器件的饱和电压和导通电阻，从而提升整体功率密度。　　应用与拓扑结构如今，IGBT 通常用于特定应用的拓扑结构，下面列举了其中的几种。　　焊接机如今许多焊接机使用逆变器，而非传统的焊接变压器，因为直流输出电流可以提高焊接过程的控制精度。使用逆变器还有其他优势，比如直流电流比交流电流安全，而且采用逆变器的焊接机具有更高的功率密度，因此重量更轻。功率级(单相或三相)将交流输入电压转换为逆变器的直流母线电压。输出电压通常为 30 V，但一旦启动焊弧，在开路负载操作几乎低至 0 V 的情况下(短路条件)，输出电压可能高达 60 V DC。　　　焊接逆变器中常用的拓扑结构包括全桥、半桥和双管正激，而恒定电流是最常用的控制方案。占空比因负载电平和输出电压而异。全桥和半桥拓扑结构的 IGBT 开关频率通常在 20 至 50 kHz 之间。　　电磁炉电磁炉的原理是，当高磁导率材质的锅靠近线圈时，通过励磁线圈推动(或耦合)锅内的电流循环。其运行方式与变压器大致相同，其中线圈负责初级侧，电磁炉底部负责次级侧。产生的大部分热量来源于锅底层形成的涡电流循环。这些系统的能量传输效率约为 90%，而顶部光滑的无感电器装置的能效仅为 71%，相比之下，(对于同量热传递)前者可节省大约 20% 的能量。逆变器将电流导入铜线圈，从而产生电磁场，电磁场穿透锅底，形成电流。产生的热量遵循焦耳效应公式，即锅的电阻乘以感应电流的平方。　　　对于电磁炉，比较重要的要求包括：　　高频开关　　功率因数接近一　　宽负载范围　　感应加热应用的输出功率控制通常基于可变频率方案。这是一种根据负载或线路频率变化来应用的基本方法。然而，该方法存在一个主要缺点：若要在宽范围内控制输出功率，频率需要大幅变化。　　感应加热最常用的拓扑结构基于谐振回路。谐振转换器的主要优势是高开关频率范围，同时能效不会降低。谐振转换器采用零电流开关 (ZCS) 或零电压开关 (ZVS) 等控制技术来降低功率损耗。谐振半桥 (RHB) 转换器和准谐振 (QR) 逆变器是备受欢迎的拓扑结构。RHB 结构的优势包括负载工作范围大，并且能够提供超高功率。　　QR 转换器的主要优势是成本较低，因此非常适合低至中功率范围(峰值功率高达 2 kW)、工作频率介于 20 至 35 kHz 之间的应用。　　电机驱动半桥转换器 (HB) 是电机驱动应用中一种最常见的拓扑结构，频率介于 2kHz 至 15kHz 之间。HB 输出电压取决于开关状态和电流极性。　　　考虑到电感负载，电流随后会增加。如果负载汲取正电流 (Ig>0)，它将流经 T1，为负载提供能量 (Vg)。相反，如果负载电流 Ig 为负，电流经由 D 流回，将能量返回至直流电源。同样，如果 T4 开通(且 T1 关闭)，会有 −Vbus/2 的电压施加于负载，且电流会减小。如果 Ig 为正，电流流经 D4，将能量返回至母线电源。　　适合IGBT应用的多电压等级拓扑结构快速开关给 HB 拓扑结构带来的局限性包括：　　只有两个输出电压等级　　无源和有源元件受到应力　　高开关损耗　　栅极驱动难度加大　　纹波电流升高　　EMI变高　　电压处理(无法与高电压母线结合使用)　　器件串联增加了实施工作的复杂性　　难以达到热平衡　　高滤波要求　　为了摆脱这些局限性，在不间断电源 (UPS) 和太阳能逆变器等应用中，采用新的多电压等级拓扑结构。常见结构包括单极性开关 I 型和 T 型转换器，它们能够在较高的母线电压下工作。随着可用输出状态增多，滤波器元件之间的电压相应减小，因此滤波损耗也更低，元件更小。开关损耗有所降低，而导通损耗则小幅增加(适合 16kHz - 40kHz 的较高频率，可达到约 98% 的高能效)。　　IGBT 的未来尽管 IGBT 已经问世很多年，但该技术仍是许多高电压和电流应用的理想之选。IGBT 不仅越来越多地应用于传统设计，还应用于新设计，因为新推出的器件在不断地推动 Vcesat 降低至 1V，并通过新型结构来提高电流密度和开关损耗。若要在使用 IGBT 的过程中获得最大效益，一个关键因素是先了解应用要求，然后选择合适的电路拓扑结构加以实施。
2024-06-25 11:22 阅读量：806
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