江上看云人 / 学习 / 零基础一文看懂IGBT芯片是如何工作的

0 0

   

零基础一文看懂IGBT芯片是如何工作的

2019-08-22  江上看云人
随着现代科技的发展,先进半导体芯片得到了越来越多的重视。其实,半导体芯片在生活中的应用场景有很多,主要有:

逻辑半导体——应用于电脑和各种移动终端中的核心计算芯片;

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、电力行业的各种功率芯片,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都不可或缺。

作为半导体开关之一,IGBT是能量变换和传输的核心零件。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计算机控制,改变交流的频率,或者把交流变直流。

IGBT这个词很抽象,我们可以按功能把它理解为电路开关,非通即断。它就像家里的电灯开关,只不过是由电信号控制,能承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,逐步介绍IGBT有趣的工作原理。

1 二极管的工作原理

初中物理就曾经介绍过,我们来一起回想下。

二极管由半导体材料比如硅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,而共价键比较稳定,几乎没有多余电子。怎么办呢?

聪明的科学家想出一个办法——掺杂。比如用价电子为5的磷P置换Si,自由电子产生了。

用价电子为3的硼B置换另一块Si,空穴产生了。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,二极管就诞生了。

在两种半导体的交界线,有趣的事情发生了。交界处的空穴和电子,在相互吸引下,“牵手”成功。

同时因为电子的离开,会使N部分边缘轻微带正电。相反,P部分边缘带负电。产生的内电场(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,无法有电流产生,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的工作原理

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管的设计也非常有趣。

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。

和二极管相同,MOS管的N部分、P部分交界处也会产生内电场,阻止电子扩散,此时没有电流。

下面我们接通电源,底部N部分电子向正极移动,空穴向相反方向移动,底部N与P交界处内电场持续增大,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型半导体交界处,内电场增大,电路依旧处于断开状态。那么,怎么才能让电路接通呢?

聪明的工程师又来了,他在P部分上方加入金属板和绝缘板,又称为栅级。

源极与漏极电压不变,栅源加正电压,神奇的现象再次发生了。栅极将P部分电子吸引到绝缘板附近,空穴被填充,此处电位逐渐变化到和两旁N部分相同,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,产生电流,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工作原理

其实IGBT的结构和MOS管非常接近,只是背面增加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负责交流直流转换、高低压转换,决定了整车的功率释放速度和能源效率。

IGBT能让电机在瞬间爆发巨大能量,也能瞬间减少输出,还能根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核心的元件,当之无愧。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多