【導(dǎo)讀】最近，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用日益增多，受到廣泛關(guān)注。然而，在這些新技術(shù)出現(xiàn)之前，許多高功率應(yīng)用都是使用高效、可靠的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，事實(shí)上，許多此類應(yīng)用仍然適合繼續(xù)使用 IGBT。在本文中，我們介紹 IGBT 器件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行，并列舉多種不同 IGBT 應(yīng)用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后探討這種多用途可靠技術(shù)的新興拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
IGBT 器件結(jié)構(gòu)
簡而言之，IGBT 是由 4 個(gè)交替層 (P-N-P-N) 組成的功率半導(dǎo)體晶體管，通過施加于金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 柵極的電壓進(jìn)行控制。這一基本結(jié)構(gòu)經(jīng)過逐漸調(diào)整和優(yōu)化后，可降低開關(guān)損耗，且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 將溝槽柵與場截止結(jié)構(gòu)相結(jié)合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行為。該方法有助于降低器件的飽和電壓和導(dǎo)通電阻，從而提升整體功率密度。
圖 1：溝槽場截止 IGBT 結(jié)構(gòu)
應(yīng)用與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
01 焊接機(jī)
如今許多焊接機(jī)使用逆變器，而非傳統(tǒng)的焊接變壓器，因?yàn)橹绷鬏敵鲭娏骺梢蕴岣吆附舆^程的控制精度。使用逆變器還有其他優(yōu)勢，比如直流電流比交流電流安全，而且采用逆變器的焊接機(jī)具有更高的功率密度，因此重量更輕。功率級(jí)（單相或三相）將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為逆變器的直流母線電壓。輸出電壓通常為 30 V，但一旦啟動(dòng)焊弧，在開路負(fù)載操作幾乎低至 0 V 的情況下（短路條件），輸出電壓可能高達(dá) 60 V DC。
圖 2：焊接機(jī)框圖
焊接逆變器中常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括全橋、半橋和雙管正激，而恒定電流是最常用的控制方案。占空比因負(fù)載電平和輸出電壓而異。全橋和半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 IGBT 開關(guān)頻率通常在 20 至 50 kHz 之間。
圖 3：全橋、半橋和雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
02 電磁爐
電磁爐的原理是，當(dāng)高磁導(dǎo)率材質(zhì)的鍋靠近線圈時(shí)，通過勵(lì)磁線圈推動(dòng)（或耦合）鍋內(nèi)的電流循環(huán)。其運(yùn)行方式與變壓器大致相同，其中線圈負(fù)責(zé)初級(jí)側(cè)，電磁爐底部負(fù)責(zé)次級(jí)側(cè)。產(chǎn)生的大部分熱量來源于鍋底層形成的渦電流循環(huán)。這些系統(tǒng)的能量傳輸效率約為 90%，而頂部光滑的無感電器裝置的能效僅為 71%，相比之下，（對(duì)于同量熱傳遞）前者可節(jié)省大約 20% 的能量。逆變器將電流導(dǎo)入銅線圈，從而產(chǎn)生電磁場，電磁場穿透鍋底，形成電流。產(chǎn)生的熱量遵循焦耳效應(yīng)公式，即鍋的電阻乘以感應(yīng)電流的平方。
圖 4：電磁爐框圖
對(duì)于電磁爐，比較重要的要求包括：
● 高頻開關(guān)
● 功率因數(shù)接近一
● 寬負(fù)載范圍
感應(yīng)加熱應(yīng)用的輸出功率控制通常基于可變頻率方案。這是一種根據(jù)負(fù)載或線路頻率變化來應(yīng)用的基本方法。然而，該方法存在一個(gè)主要缺點(diǎn)：若要在寬范圍內(nèi)控制輸出功率，頻率需要大幅變化。
感應(yīng)加熱最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于諧振回路。諧振轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)勢是高開關(guān)頻率范圍，同時(shí)能效不會(huì)降低。諧振轉(zhuǎn)換器采用零電流開關(guān) (ZCS) 或零電壓開關(guān) (ZVS) 等控制技術(shù)來降低功率損耗。諧振半橋 (RHB) 轉(zhuǎn)換器和準(zhǔn)諧振 (QR) 逆變器是備受歡迎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。RHB 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢包括負(fù)載工作范圍大，并且能夠提供超高功率。
圖 5：RHB 和 QR 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
QR 轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)勢是成本較低，因此非常適合低至中功率范圍（峰值功率高達(dá) 2 kW）、工作頻率介于 20 至 35 kHz 之間的應(yīng)用。
03 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
半橋轉(zhuǎn)換器 (HB) 是電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中一種最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，頻率介于 2kHz 至 15kHz 之間。HB 輸出電壓取決于開關(guān)狀態(tài)和電流極性。
圖 6：半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示正輸出電流和負(fù)輸出電流
考慮到電感負(fù)載，電流隨后會(huì)增加。如果負(fù)載汲取正電流 (Ig>0)，它將流經(jīng) T1，為負(fù)載提供能量 (Vg)。相反，如果負(fù)載電流 Ig 為負(fù)，電流經(jīng)由 D 流回，將能量返回至直流電源。同樣，如果 T4 開通（且 T1 關(guān)閉），會(huì)有 ?Vbus/2 的電壓施加于負(fù)載，且電流會(huì)減小。如果 Ig 為正，電流流經(jīng) D4，將能量返回至母線電源。
適合IGBT應(yīng)用的多電壓等級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
快速開關(guān)給 HB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來的局限性包括：
● 只有兩個(gè)輸出電壓等級(jí)
● 無源和有源元件受到應(yīng)力
● 高開關(guān)損耗
● 柵極驅(qū)動(dòng)難度加大
● 紋波電流升高
● EMI變高
● 電壓處理（無法與高電壓母線結(jié)合使用）
● 器件串聯(lián)增加了實(shí)施工作的復(fù)雜性
● 難以達(dá)到熱平衡
● 高濾波要求
為了擺脫這些局限性，在不間斷電源 (UPS) 和太陽能逆變器等應(yīng)用中，采用新的多電壓等級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常見結(jié)構(gòu)包括單極性開關(guān) I 型和 T 型轉(zhuǎn)換器，它們能夠在較高的母線電壓下工作。隨著可用輸出狀態(tài)增多，濾波器元件之間的電壓相應(yīng)減小，因此濾波損耗也更低，元件更小。開關(guān)損耗有所降低，而導(dǎo)通損耗則小幅增加（適合 16kHz - 40kHz 的較高頻率，可達(dá)到約 98% 的高能效）。
圖 7：I 型和 T 型轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
IGBT 的未來
盡管 IGBT 已經(jīng)問世很多年，但該技術(shù)仍是許多高電壓和電流應(yīng)用的理想之選。IGBT 不僅越來越多地應(yīng)用于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，還應(yīng)用于新設(shè)計(jì)，因?yàn)樾峦瞥龅钠骷诓粩嗟赝苿?dòng) Vcesat 降低至 1V，并通過新型結(jié)構(gòu)來提高電流密度和開關(guān)損耗。若要在使用 IGBT 的過程中獲得最大效益，一個(gè)關(guān)鍵因素是先了解應(yīng)用要求，然后選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加以實(shí)施。
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