IGBT的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

第第頁(yè)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(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(chǎng)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(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，因此我們將比較和對(duì)比一些流行的應(yīng)用程序。

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30V（DC）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)渲校_關(guān)頻率為數(shù)十kHz，通常在20–50kHz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‵B、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2kHz到15kHz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?/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)(Ig>0)，高側(cè)晶體管(T1)將導(dǎo)通，向負(fù)載(Vg)輸送能量。然而，如果負(fù)載電流Ig沿另一個(gè)方向(負(fù)極性)流動(dòng)，則電流通過D1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(T1)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Ig大于零，則電流流經(jīng)D4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(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(wú)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(chǎng)，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(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?/p>

由于這種拓?fù)涞某杀拘б妫琎R轉(zhuǎn)換器經(jīng)常用于低功率(低于2W峰值功率)感應(yīng)爐應(yīng)用。

太陽(yáng)能逆變器和UPS

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：只能有兩個(gè)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(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@著降低開關(guān)損耗，在16kHz至40kHz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cHB相比具有許多優(yōu)勢(shì)。

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