零基础一文看懂IGBT芯片是如何工作的
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**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,**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**,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**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**最核心的元件,当之无愧。
那么IGBT是如何完成交直流转换、高低压转换,我们将在后续文章中继续深入浅出的从技术角度进行详细介绍。
当前,以芯片为代表的信创产业逐步成为国家科技竞争力的重要标志。在国产CPU产业强势崛起的过程中,你首先想到的会是哪几企业?答案有很多,但“中科系”的提及率绝对很高。作为国家战略科技力量,“中科系”旗下
21世纪经济报道记者倪雨晴 圣何塞报道在硅谷源泉之一的圣何塞,英特尔CEO帕特·基辛格(Pat Gelsinger)正在带领英特尔加速奔跑。当地时间9月19日,2023英特尔on技术创新大会于美国加利
财联社9月19日讯(记者 唐植潇)近日有消息称,OPPO将会重启芯片业务,并且“有部分员工已经回流,加入到了车载业务之中”。记者就此事向OPPO方面进行核实,对方表示“不予置评”。特百惠(我国)数字与
600亿颗芯片!我国巨头正式宣布,美媒:**也没料到制裁这么快
我国芯片市场与美国依赖我国的集成电路市场一直以来都是一个巨大的市场,拥有庞大的需求和巨大的增长潜力。我国的电子消费市场一直在迅速增长,包括智能手机、电视、电脑和各种智能设备等,这些设备都需要高性能的芯
最新手机芯片天梯图:A17、华为麒麟9000S,排在什么位置?
近日,最火的两颗芯片分别是苹果的3nm芯片A17 Pro,虽然很多人吐槽它较上一代提升不明显,但论性能,可以碾压任何安卓芯片,甚至是领先2代的。另外一款芯片,则是华为麒麟9000S,当然,这颗芯片工艺
韩国芯片连续13个月暴跌,尹锡悦指责我国不采购,外媒:自食其果
据韩国媒体称,韩国的半导体出口额已经连续暴跌13个月了,比去年同比下降了28%左右。韩国政府急的焦头烂额。尹锡悦政府竟直接甩锅我国,话里话外都是指责,他认为韩国半导体卖不出竟是我国的原因,我国应该帮助
我国突破芯片瓶颈将影响全球秩序?美国很担心,指出我国关键弱点
我国在芯片半导体领域一直深受美国的**,通过贸易制裁的方式阻止高端芯片进入我国市场。这样的举措一度造成我国芯片领域发展断档,不过随着我国科技企业近几年的突破,目前我国已经在芯片制造方面取得了重大的成果
前几天,华为一声不响的上线了mate60系列,带着麒麟芯片9000s强势回归,吸引了全世界的目光。而华为麒麟芯片**背后,我们不该忘记这位老人—张汝京。我国半导体之父,为回**造芯片,被开除**户籍,
【有车以后 资讯】“未来汽车对传统汽车的颠覆性,使传统零部件体系的50%以上都面临重构。”12月16日,在全球智能汽车产业峰会(GIV2022)上,我国电动汽车百人会理事长陈清泰指出,智能汽车的价值链
投稿点这里汽车有多少个零件?其实这个问题并没有一个十分确切的标准答案...据估计,一般轿车约由1万多个不可拆解的**零部件组装而成。结构极其复杂的特制汽车,如F1赛车等,其**零部件的数量可达到2万个
全球最大的10家汽车零部件供应商 都是世界500强 无我国企业
【卡车之家 原创】美国《财富》**每年发布的世界500强排行榜,是以营业收入数据对全球企业作出排名的榜单。2017年“世界500强”榜单中,汽车制造商和零部件厂商共占据33席(除去大型工程车辆企业),
汽车零部件企业哪家强?除了博世**还有这些名字你一定耳熟能详
文:懂车帝原创 李德喆[懂车帝原创 行业]9月18日,由《我国汽车报》主办,罗兰贝格协办的2019汽车零部件“双百强”企业发布会在江苏南京举行。在两份榜单中,博世、**、电装位列2019全球汽车零部件
行业现状(Reference:产业运行 | 2021年汽车工业经济运行情况)中汽协预测:2022年我国汽车销量达到2700万辆,新能源销量超过550万辆(Reference:乘用车市场信息联席会)以乘
全球十大汽车零部件供应商,核心技术都被他们垄断,自主遗憾缺席
提到电影,我们会想到张艺谋、冯小刚,而很少会想到幕后的制作人;提起流行乐,我们会想到周杰伦、萧敬腾,而很少会想到背后的作词人。台前台后,一幕之别,知名度往往相差甚远。车界又何尝不是如此,知名车企我们都
来源:环球时报 【环球时报记者 倪浩 陶震 环球时报驻德国特约记者 青木】经过3年疫情后,全球最具影响力的通信展今年有望再现往日盛况。2月27日至3月2日,由全球移动通信**协会(GSMA)主办的20
近日华为、苹果争相推出手机卫星通信功能,成为一大亮点,不少手机厂商也将目光投到卫星通信。放眼未来,手机直连卫星的卫星通信服务将是大势所趋,也是6G时代的重要标志。华为以“北斗三号”为依托,率先把“卫星
国内企业在光通信产品的参数测试过程中,通常使用国外的先进测试设备。然而,这些测试仪器之间往往是孤立存在的,需要手动调试仪器并通过旋钮、按钮和人眼观察波形或数据。这不仅*作繁琐易出错,而且测试效率低下。
龙头20cm涨停,7天股价翻倍!一文看懂卫星通信前世今生及产业链
卫星通信概念股华力创通今日再度强势拉升,截至发稿,该股股价20cm涨停,7个交易日累计涨幅近113%,现报23.52元续刷阶段新高,总市值155.9亿元。消息上,有媒体从供应链获悉,Mate 60 P
工信部:目前我国尚不具备实现网络层面的移动通信号码归属地变更的条件
针对网友提出的“电话号码归属地更改”建议,工信部近日给出了官方回复。此前,有网友在人民网留言板向工信部留言称,“现在电话都是实名制,电话号绑定的***及一些主流的软件较多,更换号码后造成一系列问题