همه چیز درباره IGBT

اگرچه برخی ممکن است IGBT را به عنوان فناوری "متعارف" در نظر بگیرند، اما هنوز هم نقش مهمی در کاربردهای توان بالا ایفا میکند.

امروزه، بیشتر اخبار و بحثها در صنعت نیمههادی حول محور دستگاههایی میچرخد که بر اساس مواد جدید با شکاف باند وسیع (WBG) مانند کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) ساخته شدهاند. با این حال، تنها چند سال پیش، راه حل ترجیحی برای بسیاری از کاربردها، ترانزیستور دوقطبی با گیت عایقبندی شده (IGBT) بود.

هنوز هم کاربردهایی با توان متوسط تا بالا وجود دارد که از IGBT استفاده میکنند و خود این دستگاهها همچنان در حال تکامل هستند. در این مقاله، به جزئیات IGBTها خواهیم پرداخت و کاربردهای موجود و نوظهور آنها را بررسی خواهیم کرد.

ساختار فیزیکی IGBT

IGBT یک ترانزیستور یا سوئیچ نیمههادی است که از چهار لایه متناوب از مواد نیمههادی (PNPN) تشکیل شده است. هنگامی که ولتاژ صحیح به گیت دستگاه اعمال میشود، جریان از آن عبور میکند - این هدایت با حذف ولتاژ متوقف میشود.

از زمان آغاز به کار، IGBT به طور مداوم در حال بهبود و اصلاح بوده است، به ویژه در کاهش تلفات سوئیچینگ و ایجاد ساختارهای نازکتر. امروزه، IGBT ها معمولاً یک گیت ترانشه را با یک ساختار توقف میدان به عنوان وسیلهای برای سرکوب ویژگیهای NPN انگلی در دستگاه ترکیب میکنند. پس از دستیابی به این هدف، تلفات هدایت و ولتاژ اشباع کاهش مییابد و در نتیجه مزایایی مانند افزایش چگالی توان حاصل میشود.

شکل ۱: ساختار IGBT قطع کننده میدان با قطع کننده کانال ترانشه

کاربرد IGBT و مثالهای فنی

IGBT کاربردهای گستردهای در زمینههای مختلف، از جمله اینورترهای خورشیدی، سیستمهای ذخیره انرژی، منابع تغذیه بدون وقفه (UPS)، درایوهای موتور، شارژرهای وسایل نقلیه الکتریکی، جوشکاری صنعتی و لوازم خانگی دارد. معمولاً ساختار توپولوژی به طور خاص برای برآورده کردن الزامات یک کاربرد خاص انتخاب میشود. بیایید برخی از کاربردهای محبوب را با هم مقایسه کنیم.

جوشکاری صنعتی

با توجه به تقاضا برای جوشکاری با کیفیت بالاتر، نیاز به کنترل دقیق بر فرآیند جوشکاری دارد. بنابراین معمولاً از اینورترها به جای ترانسفورماتورهای جوشکاری معمولی استفاده می شود زیرا جریان خروجی DC می تواند دقت لازم را به دست آورد.

یک جنبه ایمنی نیز وجود دارد زیرا جریان DC به طور کلی ایمن تر در نظر گرفته می شود. از دیدگاه کاربر، اینورترها در مقایسه با ترانسفورماتورها کوچکتر و سبکتر هستند و باعث می شود دستگاه های جوشکاری قابل حمل تر و استفاده راحت تر باشند.

در یک دستگاه جوش معمولی، برق متناوب تک فاز یا سه فاز برای تشکیل ولتاژ باس DC یکسو می شود. یکسو کننده همچنین مبدل های کوچکی را که ولتاژ مورد نیاز واحد کنترل را تولید می کنند، تغذیه می کند. ولتاژ باس DC اینورتر را تغذیه می کند که معمولاً ولتاژ خروجی اسمی حدود 30 VDC دارد. با این حال، در حین کار، در شرایط بار مدار باز، ولتاژ ممکن است دو برابر شود و در هنگام راه اندازی قوس جوش به تقریبا 0 ولت کاهش یابد (در واقع اتصال کوتاه).

شکل 2: نمای کلی یک دستگاه جوش معمولی

بسیاری از ساختارهای توپولوژی مختلف برای دستگاه های جوشکاری مبتنی بر اینورتر مناسب هستند. با این حال، رایج ترین آنها شامل پل کامل (FB)، نیم پل (HB) و دو سوئیچ به جلو هستند. در توپولوژی های FB و HB، فرکانس سوئیچینگ معمولاً در محدوده ده ها کیلوهرتز است، معمولاً حدود 20 تا 50 کیلوهرتز. چرخه وظیفه بر اساس سطح بار و ولتاژ خروجی کنترل می شود. از نظر طرح های کنترل، اغلب جریان ثابت است.

شکل 3: توپولوژی های رایج عبارتند از FB، HB و Two-Switch Forward

رانندگان موتورهای صنعتی

یکی از رایج ترین کاربردهای صنعتی، درایورهای موتور صنعتی است که می تواند برای ربات ها، ماشین آلات بزرگ یا بسیاری دیگر از برنامه های وابسته به حرکت استفاده شود. اکثر برنامه های درایور موتور به صورت HB با فرکانس های بین 2 کیلوهرتز تا 15 کیلوهرتز پیکربندی شده اند. ولتاژ خروجی حاصل به وضعیت سوئیچ و قطبیت جریان بستگی دارد.

شکل 4: توپولوژی نیم پل که جریان خروجی مثبت و منفی را نمایش می دهد.

موتور یک بار القایی است، بنابراین جریان به سرعت افزایش می یابد. هنگامی که جریان مثبت جریان می یابد (Ig > 0)، ترانزیستور سمت بالا (T1) روشن می شود و انرژی را به بار (Vg) می رساند. با این حال، اگر جریان بار Ig در جهت مخالف (قطب منفی) جریان داشته باشد، جریان از D1 برگشته و انرژی را به منبع DC برمیگرداند.

اگر ترانزیستور سمت پایین هدایت شود (T4 روشن است) و ترانزیستور سمت بالا (T1) خاموش باشد، ولتاژی معادل نصف Vbus (-Vbus/2) به بار اعمال می شود و جریان را کاهش می دهد. اگر Ig بزرگتر از صفر باشد، جریان از D4 عبور می کند و انرژی را به منبع باس باز می گرداند.

ادامه دارد...