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零基础一文看懂IGBT芯片是如何事情的
时间:2023-01-25 23:44 点击次数:
本文摘要:随着现代科技的生长,先进半导体芯片获得了越来越多的重视。其实,半导体芯片在生活中的应用场景有许多,主要有:逻辑半导体——应用于电脑和种种移动终端中的焦点盘算芯片;存储半导体——我们手机的RAM、ROM等;以及功率半导体——广泛应用于汽车、高铁、电力行业的种种功率芯片,其中最著名的可能是IGBT。IGBT这个词你可能从没听过,但它一直在我们身边默默服务。 小到微波炉、变频空调、变频冰箱,大到新能源汽车、高铁,甚至航母的电磁弹射,IGBT都不行或缺。

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随着现代科技的生长,先进半导体芯片获得了越来越多的重视。其实,半导体芯片在生活中的应用场景有许多,主要有:逻辑半导体——应用于电脑和种种移动终端中的焦点盘算芯片;存储半导体——我们手机的RAM、ROM等;以及功率半导体——广泛应用于汽车、高铁、电力行业的种种功率芯片,其中最著名的可能是IGBT。IGBT这个词你可能从没听过,但它一直在我们身边默默服务。

小到微波炉、变频空调、变频冰箱,大到新能源汽车、高铁,甚至航母的电磁弹射,IGBT都不行或缺。作为半导体开关之一,IGBT是能量变换和传输的焦点零件。常见的强电只有50Hz交流电,变压器只能改变它的电压。

有了IGBT这种开关,就可以通过电路设计和盘算机控制,改变交流的频率,或者把交流变直流。IGBT这个词很抽象,我们可以按功效把它明白为电路开关,非通即断。它就像家里的电灯开关,只不外是由电信号控制,能蒙受几十到几百伏电压、几十到几百安电流的强电,每秒钟开关频率最高可达几万次。

IGBT的雏形是二极管,下面我们由浅及深,逐步先容IGBT有趣的事情原理。1 二极管的事情原理初中物理就曾经先容过,我们来一起追念下。二极管由半导体质料好比硅Si制造出来,Si的价电子层有四个电子,会跟相邻的四个Si原子形成共价健。电流的传导需要自由电子,而共价键比力稳定,险些没有多余电子。

怎么办呢?智慧的科学家想出一个措施——掺杂。好比用价电子为5的磷P置换Si,自由电子发生了。

用价电子为3的硼B置换另一块Si,空穴发生了。就这样,萝卜和坑都有了。前者被称为N型半导体,后者被称为P型半导体。将N型和P型半导体拼在一起,二极管就降生了。

在两种半导体的接壤线,有趣的事情发生了。接壤处的空穴和电子,在相互吸引下,“牵手”乐成。同时因为电子的脱离,会使N部门边缘轻微带正电。

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相反,P部门边缘带负电。发生的内电场(又称势垒)会阻止任何一个电子进一步迁移。因此断电状态下,二极管内是没有电流的。下面,我们给二极管接上电源。

此时电源吸引电子和空穴到两个极端,无法有电流发生,也就是电路断开。如果反转电源,又会发生什么?假设电源有足够电压,能够克服内电场的阻挡,电子会越过势垒,跳到P型的空穴里,并逐渐移动到外部电路,即电路接通。此时外部电压也被称为二极管的正向偏压。

接下来,难度升级。2 MOSFET的事情原理MOSFET,又简称MOS管,金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管,一般潜伏在电脑手机中。MOS管的设计也很是有趣。MOS管有NPN型和PNP型,被称为N沟道MOS管和P沟道MOS管,我们以NPN型为例,看看电路是如何接通和断开的。

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和二极管相同,MOS管的N部门、P部门接壤处也会发生内电场,阻止电子扩散,此时没有电流。下面我们接通电源,底部N部门电子向正极移动,空穴向相反偏向移动,底部N与P接壤处内电场连续增大,即电路断开。

反向接通电源,也是如此,在上端的N型半导体与P型半导体接壤处,内电场增大,电路依旧处于断开状态。那么,怎么才气让电路接通呢?智慧的工程师又来了,他在P部门上方加入金属板和绝缘板,又称为栅级。源极与漏极电压稳定,栅源加正电压,神奇的现象再次发生了。

栅极将P部门电子吸引到绝缘板四周,空穴被填充,此处电位逐渐变化到和两旁N部门相同,于是一条通道打开了。之后电子在源极、漏极电压驱动下运动,发生电流,电路接通。降低栅极电压,通道关闭,电路也就闭合了。

栅极的存在,使得MOS管只需要很小的驱动功率,而且开关速度快。3 IGBT事情原理其实IGBT的结构和MOS管很是靠近,只是反面增加N+和P+层。“+”意味着更高的自由电子或者空穴密度。

从而IGBT在保留MOS管优点的同时,增加了载流能力和抗压能力。在新能源汽车上,IGBT卖力交流直流转换、崎岖压转换,决议了整车的功率释放速度和能源效率。

IGBT能让电机在瞬间发作庞大能量,也能瞬间淘汰输出,还能凭据用电需求对电机变频调速,降低能耗,增加续航,被称作是电机驱动系统最焦点的元件,当之无愧。那么IGBT是如何完成交直流转换、崎岖压转换,我们将在后续文章中继续深入浅出的从技术角度举行详细先容。


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