IGBT的結構和應用

雖然有些人可能將 IGBT 視為“傳統”技術，但它在高功率應用中仍然發揮著重要作用。

如今，半導體行業的大部分新聞報道和討論都是關于基于碳化硅 (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 的中高功率應用仍然存在，設備本身也是如此。在本文中，我們將詳細了解 IGBT，然后考慮它們適合的現有和新興應用。

IGBT：物理結構

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

自問世以來，IGBT 一直在不斷磨練和改進，特別是在改善開關損耗以及創建更薄的結構方面。如今，IGBT 通常將溝槽柵極與場截止結構結合起來，作為抑制器件內寄生 NPN 特性的手段。一旦實現這一點，傳導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 結構

IGBT 使用和技術示例

IGBT 應用廣泛，包括太陽能逆變器、儲能系統、不間斷電源 (UPS)、電機驅動、電動汽車充電器、工業焊接以及家用電器。通常，拓撲結構是專門為滿足特定應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用程序。

工業焊接

考慮到對更高質量焊接的需求，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過整流以形成直流總線電壓。整流器還為小型轉換器供電，產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

許多不同的拓撲結構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) 和雙開關正向。在 FB 和 HB 拓撲中，開關頻率為數十kHz，通常在 20 – 50 kHz 范圍內。占空比是根據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 和雙開關正向。

工業電機驅動器

最常見的工業應用之一是工業電機驅動器，可用于機器人、大型機械或許多其他需要運動的應用。大多數電機驅動應用都配置為 HB，頻率在 2 kHz 到 15 kHz 之間。由此產生的輸出電壓取決于開關狀態和電流極性。

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。當正電流流動時 (Ig >0)，高側晶體管 (T 1 ) 將導通，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。

如果低側晶體管導通(T4導通)并且高側晶體管(T 1 )關閉，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D 4將能量返回至總線源。

現代電磁爐

電磁爐烹飪取代了傳統的發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循環。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。它與現代感應充電技術也有很多共同點。

加熱鍋所需的熱量來自鍋底層的渦流循環，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% 的能量被轉移以在鍋中產生熱量。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。主交流電經過整流后驅動逆變器和控制器的小型輔助電源。逆變器將電流感應到銅線圈中，從而產生電磁場，在鍋中感應出渦流。產生的熱量等于鍋底的電阻乘以感應電流的平方——稱為“焦耳效應”。

圖 5：典型電磁爐電路概述

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

即使在感應爐所需的高頻下，諧振轉換器也可以高效率運行。因此，諧振回路轉換器通常用于此應用，尤其是諧振半橋 (RHB) 轉換器和準諧振 (QR) 逆變器。RHB 轉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 (ZCS) 或零電壓開關 (ZVS) 等先進控制技術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 轉換器經常用于低功率(低于 2 W 峰值功率)感應爐應用。

太陽能逆變器和UPS

在需要快速開關的應用中使用半橋拓撲時存在許多挑戰，包括：只能有兩個輸出電壓開關損耗可能很大駕駛大門可能具有挑戰性元件應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計并非小事在現代應用中，HB 拓撲正在被不間斷電源 (UPS) 和太陽能光伏 (PV) 逆變器等關鍵應用所取代。三電平拓撲正在成為主導——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損耗，在 16 kHz 至 40 kHz 的高頻下進行開關時效率高達 98%。