הכל על IGBT

למרות שחלק עשויים לראות ב-IGBT טכנולוגיה "קונבנציונלית", היא עדיין ממלאת תפקיד משמעותי ביישומים בעלי הספק גבוה.

כיום, רוב החדשות והדיונים בתעשיית המוליכים למחצה סובבים סביב התקנים המבוססים על חומרים חדשים בעלי פער פס רחב (WBG) כגון סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN). עם זאת, רק לפני מספר שנים, הפתרון המועדף עבור יישומים רבים היה טרנזיסטור דו-קוטבי מבודד שער (IGBT).

עדיין קיימות יישומים בעלי הספק בינוני עד גבוה המשתמשים ב-IGBTs, וההתקנים עצמם ממשיכים להתפתח. במאמר זה, נעמיק בפרטי ה-IGBTs ונחקור את היישומים הקיימים והמתפתחים שלהם.

IGBT: מבנה פיזי

IGBT הוא טרנזיסטור או מתג מוליך למחצה המורכב מארבע שכבות מתחלפות של חומרי מוליך למחצה (PNPN). כאשר המתח הנכון מופעל על שער ההתקן, הוא מאפשר לזרם לזרום - הולכה זו נפסקת כאשר המתח מוסר.

מאז הקמתו, IGBT עבר חידוד ושיפור מתמידים, במיוחד בהפחתת הפסדי מיתוג וביצירת מבנים דקים יותר. כיום, IGBTs משלבים בדרך כלל שער תעלה בשילוב עם מבנה עצירת שדה כאמצעי לדיכוי מאפייני NPN טפיליים בתוך ההתקן. לאחר השגתם, הפסדי ההולכה ומתח הרוויה מופחתים, וכתוצאה מכך יתרונות כגון צפיפות הספק מוגברת.

איור 1: מבנה של IGBT בעל עצירת שדה עם ניתוק תעלת תעלה

שימוש ב-IGBT ודוגמאות טכניות

ל-IGBT יש יישומים נרחבים בתחומים שונים, כולל ממירים סולאריים, מערכות אחסון אנרגיה, ספקי כוח אל-פסק (UPS), הנעת מנועים, מטענים לרכבים חשמליים, ריתוך תעשייתי ומכשירי חשמל ביתיים. בדרך כלל, מבנה הטופולוגיה נבחר במיוחד כדי לענות על הדרישות של יישום מסוים. בואו נשווה ונעמוד בניגוד לכמה יישומים פופולריים.

ריתוך תעשייתי

בהתחשב בדרישה לריתוך איכותי יותר, זה דורש שליטה מדויקת על תהליך הריתוך. לכן, ממירים משמשים בדרך כלל במקום שנאי ריתוך טיפוסיים מכיוון שזרם פלט DC יכול להשיג את הדיוק הדרוש.

יש גם היבט בטיחותי שכן זרם DC נחשב בדרך כלל בטוח יותר. מנקודת המבט של המשתמש, ממירים קטנים וקלים יותר בהשוואה לשנאים, מה שהופך את מכונות הריתוך לניידות ונוחות יותר לשימוש.

במכונת ריתוך טיפוסית, מתח AC חד פאזי או תלת פאזי מתוקן ליצירת מתח אוטובוס DC. המיישר גם מפעיל את הממירים הקטנים שמייצרים את המתח הנדרש על ידי יחידת הבקרה. מתח האוטובוס DC מפעיל את המהפך, שבדרך כלל יש לו מתח מוצא נומינלי של כ-30 VDC. עם זאת, במהלך הפעולה, בתנאי עומס במעגל פתוח, המתח עשוי להכפיל את עצמו ולרדת לכמעט 0V (למעשה קצר חשמלי) בעת הפעלת קשת הריתוך".

איור 2: סקירה כללית של מכונת ריתוך טיפוסית

מבנים טופולוגיים רבים ושונים מתאימים למכונות ריתוך מבוססות אינוורטר. עם זאת, הנפוצים ביותר כוללים גשר מלא (FB), גשר חצי (HB) ו-Dou-Switch Forward. בטופולוגיות FB ו-HB, תדר המיתוג הוא בדרך כלל בטווח של עשרות קילו-הרץ, בדרך כלל סביב 20 - 50 קילו-הרץ. מחזור העבודה נשלט על סמך רמת העומס ומתח המוצא. במונחים של תוכניות בקרה, לרוב מדובר בזרם קבוע.

איור 3: טופולוגיות נפוצות כוללות FB, HB ו-Dou-Switch Forward

נהגי מנוע תעשייתי

אחד היישומים התעשייתיים הנפוצים ביותר הוא נהגי מנועים תעשייתיים, שיכולים לשמש עבור רובוטים, מכונות גדולות או יישומים רבים אחרים תלויי תנועה. רוב יישומי הנהג המנוע מוגדרים כ-HB, עם תדרים בין 2 קילו-הרץ ל-15 קילו-הרץ. מתח המוצא המתקבל תלוי במצב המתג ובקוטביות הזרם.

איור 4: טופולוגיה של חצי גשר המציגה זרם מוצא חיובי ושלילי.

המנוע הוא עומס אינדוקטיבי, כך שהזרם גדל במהירות. כאשר זורם זרם חיובי (Ig > 0), הטרנזיסטור הגבוה (T1) נדלק ומספק אנרגיה לעומס (Vg). עם זאת, אם זרם העומס Ig זורם בכיוון ההפוך (קוטביות שלילית), הזרם זורם בחזרה דרך D1, ומחזיר את האנרגיה למקור DC.

אם הטרנזיסטור הצד הנמוך מוליך (T4 פועל) והטרנזיסטור הצד הגבוה (T1) כבוי, מתח השווה למחצית Vbus (-Vbus/2) מופעל על העומס, ומפחית את הזרם. אם Ig גדול מאפס, הזרם זורם דרך D4, ומחזיר את האנרגיה למקור האוטובוס.

המשך יבוא...