如今，半導(dǎo)體行業(yè)的大部分新聞報(bào)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(xì)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(gè)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(shí)，它能夠傳導(dǎo)電流——當(dāng)該電壓被移除時(shí)，傳導(dǎo)就會(huì)停止。自問世以來，IGBT 一直在不斷磨練和改進(jìn)，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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，傳導(dǎo)損耗和飽和電壓就會(huì)降低，從而帶來諸如增強(qiáng)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(chǔ)能系統(tǒng)、不間斷電源 (UPS)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車充電器、工業(yè)焊接以及家用電器。通常，拓?fù)浣Y(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。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?yàn)橹绷鬏敵鲭娏骺梢赃_(dá)到必要的精度。這還有一個(gè)安全方面的問題，因?yàn)橹绷麟娡ǔ１徽J(rèn)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(jī)更便攜、使用更方便。在典型的焊機(jī)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(fù)載操作下，電壓可能會(huì)加倍，并在觸發(fā)焊接電弧時(shí)降至幾乎 0V（實(shí)際上是短路）。
圖 2：典型焊機(jī)概述許多不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都適用于基于逆變器的焊機(jī)。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?fù)渲?，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(fù)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?fù)浒?FB、HB 和雙開關(guān)正向。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最常見的工業(yè)應(yīng)用之一是工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可用于機(jī)器人、大型機(jī)械或許多其他需要運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用。大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fù)輸出電流的半橋拓?fù)洹?/span>電機(jī)是感性負(fù)載，因此電流增加很快。當(dāng)正電流流動(dòng)時(shí) (Ig >0)，高側(cè)晶體管 (T 1 ) 將導(dǎo)通，向負(fù)載 (V g ) 輸送能量。然而，如果負(fù)載電流I g沿另一個(gè)方向（負(fù)極性）流動(dòng)，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(fù)一半（-V總線/2）的電壓將施加到負(fù)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。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(lì)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(jí)，鍋底為次級(jí)。它與現(xiàn)代感應(yīng)充電技術(shù)也有很多共同點(diǎn)。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(dòng)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?fù)渑c焊接電路并沒有太大不同。主交流電經(jīng)過整流后驅(qū)動(dòng)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(jī)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(yùn)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(fù)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(jìn)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?fù)涫纠?/span>由于這種拓?fù)涞某杀拘б?，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。
在需要快速開關(guān)的應(yīng)用中使用半橋拓?fù)鋾r(shí)存在許多挑戰(zhàn)，包括：在現(xiàn)代應(yīng)用中，HB 拓?fù)湔诒徊婚g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?fù)湔诔蔀橹鲗?dǎo)——稱為 I 型和 T 型。有許多方面需要改進(jìn)，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?fù)淇娠@著降低開關(guān)損耗，在 16 kHz 至 40 kHz 的高頻下進(jìn)行開關(guān)時(shí)效率高達(dá) 98%。
圖 7：I 型和 T 型轉(zhuǎn)換器拓?fù)渑c HB 相比具有許多優(yōu)勢。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(jìn)提高了密度并降低了損耗。與以往一樣，在使用 IGBT 時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須充分了解應(yīng)用需求并選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)湟源_保最佳結(jié)果和性能。
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