IGBT的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

雖然有些人可能將 IGBT 視為“傳統(tǒng)”技術(shù)，但它在高功率應(yīng)用中仍然發(fā)揮著重要作用。

如今，半導(dǎo)體行業(yè)的大部分新聞報道和討論都是關(guān)于基于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等新型寬帶隙 (WBG) 材料的器件。但是就在幾年前，許多應(yīng)用的首選解決方案是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。

使用 IGBT 的中高功率應(yīng)用仍然存在，設(shè)備本身也是如此。在本文中，我們將詳細了解 IGBT，然后考慮它們適合的現(xiàn)有和新興應(yīng)用。

IGBT：物理結(jié)構(gòu)

IGBT 是一種半導(dǎo)體晶體管或半導(dǎo)體開關(guān)，由四個交替的半導(dǎo)體材料層 (PNPN) 構(gòu)成。當(dāng)正確的電壓施加到器件的柵極時，它能夠傳導(dǎo)電流——當(dāng)該電壓被移除時，傳導(dǎo)就會停止。

自問世以來，IGBT 一直在不斷磨練和改進，特別是在改善開關(guān)損耗以及創(chuàng)建更薄的結(jié)構(gòu)方面。如今，IGBT 通常將溝槽柵極與場截止結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，作為抑制器件內(nèi)寄生 NPN 特性的手段。一旦實現(xiàn)這一點，傳導(dǎo)損耗和飽和電壓就會降低，從而帶來諸如增強功率密度等好處。

圖 1：場溝道截止 IGBT 結(jié)構(gòu)

IGBT 使用和技術(shù)示例

IGBT 應(yīng)用廣泛，包括太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)、不間斷電源 (UPS)、電機驅(qū)動、電動汽車充電器、工業(yè)焊接以及家用電器。通常，拓撲結(jié)構(gòu)是專門為滿足特定應(yīng)用程序的需求而選擇的，因此我們將比較和對比一些流行的應(yīng)用程序。

工業(yè)焊接

考慮到對更高質(zhì)量焊接的需求，需要更精確地控制焊接過程。因此，通常使用逆變器而不是典型的焊接變壓器，因為直流輸出電流可以達到必要的精度。

這還有一個安全方面的問題，因為直流電通常被認為更安全。從用戶角度來看，逆變器比變壓器更小、更輕，因此焊機更便攜、使用更方便。

在典型的焊機中，單相或三相交流電源經(jīng)過整流以形成直流總線電壓。整流器還為小型轉(zhuǎn)換器供電，產(chǎn)生控制單元所需的電壓。直流母線電壓為逆變器供電，逆變器通常具有約 30 VDC 的標(biāo)稱輸出電壓。然而，在使用過程中，在開路負載操作下，電壓可能會加倍，并在觸發(fā)焊接電弧時降至幾乎 0V(實際上是短路)。

圖 2：典型焊機概述

許多不同的拓撲結(jié)構(gòu)都適用于基于逆變器的焊機。然而，最常見的包括全橋 (FB)、半橋 (HB) 和雙開關(guān)正向。在 FB 和 HB 拓撲中，開關(guān)頻率為數(shù)十kHz，通常在 20 – 50 kHz 范圍內(nèi)。占空比是根據(jù)負載水平和輸出電壓來控制的。就控制方案而言，這通常是恒定電流。

圖 3：常見拓撲包括 FB、HB 和雙開關(guān)正向。

工業(yè)電機驅(qū)動器

最常見的工業(yè)應(yīng)用之一是工業(yè)電機驅(qū)動器，可用于機器人、大型機械或許多其他需要運動的應(yīng)用。大多數(shù)電機驅(qū)動應(yīng)用都配置為 HB，頻率在 2 kHz 到 15 kHz 之間。由此產(chǎn)生的輸出電壓取決于開關(guān)狀態(tài)和電流極性。

圖 4：顯示正負輸出電流的半橋拓撲。

電機是感性負載，因此電流增加很快。當(dāng)正電流流動時 (Ig >0)，高側(cè)晶體管 (T 1 ) 將導(dǎo)通，向負載 (V g ) 輸送能量。然而，如果負載電流I g沿另一個方向(負極性)流動，則電流通過D 1流回，將能量返回至直流源。

如果低側(cè)晶體管導(dǎo)通(T4導(dǎo)通)并且高側(cè)晶體管(T 1 )關(guān)閉，則等于 V總線負一半(-V總線/2)的電壓將施加到負載，減少電流。如果I g大于零，則電流流經(jīng)D 4將能量返回至總線源。

現(xiàn)代電磁爐

電磁爐烹飪?nèi)〈藗鹘y(tǒng)的發(fā)熱并將熱能傳遞到平底鍋/鍋的電加熱元件，它采用激勵線圈的原理來迫使或耦合電流在鍋底內(nèi)循環(huán)。為了使電磁爐正常工作，鍋底必須在物理上靠近線圈，并且只有某些金屬是合適的——需要具有高導(dǎo)磁率的材料。

該原理類似于常見的電源變壓器，線圈為初級，鍋底為次級。它與現(xiàn)代感應(yīng)充電技術(shù)也有很多共同點。

加熱鍋所需的熱量來自鍋底層的渦流循環(huán)，或者更具體地說，來自這些電流流動的阻力。使用電感耦合，大約 90% 的能量被轉(zhuǎn)移以在鍋中產(chǎn)生熱量。典型的光滑頂部無感爐只能傳輸大約 70% 的能量，因此損耗減少了三倍。

所使用的拓撲與焊接電路并沒有太大不同。主交流電經(jīng)過整流后驅(qū)動逆變器和控制器的小型輔助電源。逆變器將電流感應(yīng)到銅線圈中，從而產(chǎn)生電磁場，在鍋中感應(yīng)出渦流。產(chǎn)生的熱量等于鍋底的電阻乘以感應(yīng)電流的平方——稱為“焦耳效應(yīng)”。

圖 5：典型電磁爐電路概述

與焊機不同，感應(yīng)爐的控制方案通常是變頻方案。雖然這是一種簡單的方法，但挑戰(zhàn)在于在大范圍內(nèi)控制輸出功率所需的頻率范圍。

即使在感應(yīng)爐所需的高頻下，諧振轉(zhuǎn)換器也可以高效率運行。因此，諧振回路轉(zhuǎn)換器通常用于此應(yīng)用，尤其是諧振半橋 (RHB) 轉(zhuǎn)換器和準(zhǔn)諧振 (QR) 逆變器。RHB 轉(zhuǎn)換器因其可處理的負載范圍廣而受到特別重視。通常，采用零電流開關(guān) (ZCS) 或零電壓開關(guān) (ZVS) 等先進控制技術(shù)來確保將功率損耗保持在最低限度。

圖 6：典型 RHB 和 QR 拓撲示例

由于這種拓撲的成本效益，QR 轉(zhuǎn)換器經(jīng)常用于低功率(低于 2 W 峰值功率)感應(yīng)爐應(yīng)用。

太陽能逆變器和UPS

在需要快速開關(guān)的應(yīng)用中使用半橋拓撲時存在許多挑戰(zhàn)，包括： 只能有兩個輸出電壓 開關(guān)損耗可能很大 駕駛大門可能具有挑戰(zhàn)性 元件應(yīng)力影響可靠性 增加的紋波電流和 EMI 需要大量濾波 與高壓直流母線不兼容 熱設(shè)計并非小事 在現(xiàn)代應(yīng)用中，HB 拓撲正在被不間斷電源 (UPS) 和太陽能光伏 (PV) 逆變器等關(guān)鍵應(yīng)用所取代。三電平拓撲正在成為主導(dǎo)——稱為 I 型和 T 型。

有許多方面需要改進，包括降低有源元件兩端的電壓，從而降低損耗、減少諧波失真并允許使用更小的元件。最重要的是，這些拓撲可顯著降低開關(guān)損耗，在 16 kHz 至 40 kHz 的高頻下進行開關(guān)時效率高達 98%。

圖 7：I 型和 T 型轉(zhuǎn)換器拓撲與 HB 相比具有許多優(yōu)勢。

展望未來

雖然有些人可能將 IGBT 視為“傳統(tǒng)”技術(shù)，但它在高功率(高電壓/電流)應(yīng)用中仍然發(fā)揮著重要作用。IGBT 技術(shù)不斷向前發(fā)展，Vcesat值接近 1 V，并且結(jié)構(gòu)改進提高了密度并降低了損耗。

與以往一樣，在使用 IGBT 時，設(shè)計人員必須充分了解應(yīng)用需求并選擇適當(dāng)?shù)耐負湟源_保最佳結(jié)果和性能。

來源：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

審核編輯：湯梓紅