元器件知识|如何选择IGBT?

皇华电子元器件IC供应商 2024-06-24 13:46


碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体的应用日益增多,然而,在这些新技术出现之前,许多高功率应用都是使用高效、可靠的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT),事实上,许多此类应用仍然适合继续使用 IGBT。在本文中,我们介绍 IGBT 器件的结构和运行,并列举多种不同 IGBT 应用的电路拓扑结构,然后探讨这种多用途可靠技术的新兴拓扑结构。


IGBT 器件结构
简而言之,IGBT 是由 4 个交替层 (P-N-P-N) 组成的功率半导体晶体管,通过施加于金属氧化物半导体 (MOS) 栅极的电压进行控制。这一基本结构经过逐渐调整和优化后,可降低开关损耗,且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 将沟槽栅与场截止结构相结合,旨在抑制固有的寄生 NPN 行为。该方法有助于降低器件的饱和电压和导通电阻,从而提升整体功率密度。

图 1:沟槽场截止 IGBT 结构

应用与拓扑结构
如今,IGBT 通常用于特定应用的拓扑结构,下面列举了其中的几种。

焊接机
如今许多焊接机使用逆变器,而非传统的焊接变压器,因为直流输出电流可以提高焊接过程的控制精度。使用逆变器还有其他优势,比如直流电流比交流电流安全,而且采用逆变器的焊接机具有更高的功率密度,因此重量更轻。功率级(单相或三相)将交流输入电压转换为逆变器的直流母线电压。输出电压通常为 30 V,但一旦启动焊弧,在开路负载操作几乎低至 0 V 的情况下(短路条件),输出电压可能高达 60 V DC。

图 2:焊接机框图

焊接逆变器中常用的拓扑结构包括全桥、半桥和双管正激,而恒定电流是最常用的控制方案。占空比因负载电平和输出电压而异。全桥和半桥拓扑结构的 IGBT 开关频率通常在 20 至 50 kHz 之间。

图 3:全桥、半桥和双管正激拓扑结构

电磁炉
电磁炉的原理是,当高磁导率材质的锅靠近线圈时,通过励磁线圈推动(或耦合)锅内的电流循环。其运行方式与变压器大致相同,其中线圈负责初级侧,电磁炉底部负责次级侧。产生的大部分热量来源于锅底层形成的涡电流循环。这些系统的能量传输效率约为 90%,而顶部光滑的无感电器装置的能效仅为 71%,相比之下,(对于同量热传递)前者可节省大约 20% 的能量。逆变器将电流导入铜线圈,从而产生电磁场,电磁场穿透锅底,形成电流。产生的热量遵循焦耳效应公式,即锅的电阻乘以感应电流的平方。

图 4:电磁炉框图

对于电磁炉,比较重要的要求包括:
  • 高频开关

  • 功率因数接近一

  • 宽负载范围


感应加热应用的输出功率控制通常基于可变频率方案。这是一种根据负载或线路频率变化来应用的基本方法。然而,该方法存在一个主要缺点:若要在宽范围内控制输出功率,频率需要大幅变化。

感应加热最常用的拓扑结构基于谐振回路。谐振转换器的主要优势是高开关频率范围,同时能效不会降低。谐振转换器采用零电流开关 (ZCS) 或零电压开关 (ZVS) 等控制技术来降低功率损耗。谐振半桥 (RHB) 转换器和准谐振 (QR) 逆变器是备受欢迎的拓扑结构。RHB 结构的优势包括负载工作范围大,并且能够提供超高功率。

图 5:RHB 和 QR 拓扑结构

QR 转换器的主要优势是成本较低,因此非常适合低至中功率范围(峰值功率高达 2 kW)、工作频率介于 20 至 35 kHz 之间的应用。

电机驱动
半桥转换器 (HB) 是电机驱动应用中一种最常见的拓扑结构,频率介于 2kHz 至 15kHz 之间。HB 输出电压取决于开关状态和电流极性。

图 6:半桥拓扑结构显示正输出电流和负输出电流

考虑到电感负载,电流随后会增加。如果负载汲取正电流 (Ig>0),它将流经 T1,为负载提供能量 (Vg)。相反,如果负载电流 Ig 为负,电流经由 D 流回,将能量返回至直流电源。同样,如果 T4 开通(且 T1 关闭),会有 −Vbus/2 的电压施加于负载,且电流会减小。如果 Ig 为正,电流流经 D4,将能量返回至母线电源。

适合IGBT应用的多电压等级拓扑结构
快速开关给 HB 拓扑结构带来的局限性包括:
  • 只有两个输出电压等级

  • 无源和有源元件受到应力

  • 高开关损耗

  • 栅极驱动难度加大

  • 纹波电流升高

  • EMI变高

  • 电压处理(无法与高电压母线结合使用)

  • 器件串联增加了实施工作的复杂性

  • 难以达到热平衡

  • 高滤波要求


为了摆脱这些局限性,在不间断电源 (UPS) 和太阳能逆变器等应用中,采用新的多电压等级拓扑结构。常见结构包括单极性开关 I 型和 T 型转换器,它们能够在较高的母线电压下工作。随着可用输出状态增多,滤波器元件之间的电压相应减小,因此滤波损耗也更低,元件更小。开关损耗有所降低,而导通损耗则小幅增加(适合 16kHz - 40kHz 的较高频率,可达到约 98% 的高能效)。

图 7:I 型和 T 型转换器拓扑结构

IGBT 的未来
尽管 IGBT 已经问世很多年,但该技术仍是许多高电压和电流应用的理想之选。IGBT 不仅越来越多地应用于传统设计,还应用于新设计,因为新推出的器件在不断地推动 Vcesat 降低至 1V,并通过新型结构来提高电流密度和开关损耗。若要在使用 IGBT 的过程中获得最大效益,一个关键因素是先了解应用要求,然后选择合适的电路拓扑结构加以实施。


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