IGBT：物理結(jié)構(gòu)
IGBT 是一種半導(dǎo)體晶體管或半導(dǎo)體開(kāi)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(wèn)世以來(lái)，IGBT 一直在不斷磨練和改進(jìn)，特別是在改善開(kāi)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(chǎng)截止結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，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(lái)諸如增強(qiáng)功率密度等好處。

圖 1：場(chǎng)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(yáng)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，因此我們將比較一些流行的應(yīng)用程序。

圖示為：揚(yáng)杰MG50P12E1A 50A 1200V 7單元IGBT模塊

工業(yè)焊接
考慮到對(duì)更高質(zhì)量焊接的需求，需要更精確地控制焊接過(guò)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(wèn)題，因?yàn)橹绷麟娡ǔ１徽J(rèn)為更安全。從用戶角度來(lái)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(guò)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(guò)程中，在開(kāi)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(jiàn)的包括全橋 (FB)、半橋 (HB) 和雙開(kāi)關(guān)正向。在 FB 和 HB 拓?fù)渲?，開(kāi)關(guān)頻率通常在 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(lái)控制的。就控制方案而言，這通常是恒定電流。

圖 3：常見(jiàn)拓?fù)浒?FB、HB 和雙開(kāi)關(guān)正向。

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
最常見(jiàn)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。由此產(chǎn)生的輸出電壓取決于開(kāi)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?/p>

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)，高側(cè)晶體管 將導(dǎo)通，向負(fù)載 輸送能量。然而，如果負(fù)載電流I g沿另一個(gè)方向流動(dòng)，則電流通過(guò)D 1流回，將能量返回至直流源。
如果低側(cè)晶體管導(dǎo)通并且高側(cè)晶體管關(guān)閉，則等于 V總線負(fù)一半的電壓將施加到負(fù)載，減少電流。
感應(yīng)爐
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(jiǎn)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(kāi)關(guān) (ZCS) 或零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 等先進(jìn)控制技術(shù)來(lái)確保將功率損耗保持在最低限度。

圖 5：典型 RHB 和 QR 拓?fù)涫纠?br />

太陽(yáng)能逆變器和UPS
在需要快速開(kāi)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：只能有兩個(gè)輸出電壓開(kāi)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(jì)并非小事在現(xiàn)代應(yīng)用中，HB 拓?fù)湔诒徊婚g斷電源 (UPS) 和太陽(yáng)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(kāi)關(guān)損耗，在 16 kHz 至 40 kHz 的高頻下進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)效率高達(dá) 98%。

圖 6：I 型和 T 型轉(zhuǎn)換器拓?fù)渑c HB 相比具有許多優(yōu)勢(shì)。

如今，IGBT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，結(jié)構(gòu)改進(jìn)提高了密度并降低了損耗。

審核編輯 黃宇