Walaupun sesetengah mungkin menganggap IGBT sebagai teknologi "konvensional", ia masih memainkan peranan penting dalam aplikasi berkuasa tinggi.

Hari ini, kebanyakan berita dan perbincangan dalam industri semikonduktor berkisar pada peranti berdasarkan bahan jurang jalur lebar (WBG) baharu seperti silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN). Walau bagaimanapun, hanya beberapa tahun yang lalu, penyelesaian pilihan untuk banyak aplikasi ialah Transistor Bipolar Gerbang Bertebat (IGBT).

Masih terdapat kehadiran aplikasi berkuasa sederhana hingga tinggi yang menggunakan IGBT, dan peranti itu sendiri terus berkembang. Dalam artikel ini, kami akan menyelidiki butiran IGBT dan meneroka aplikasi sedia ada dan yang baru muncul.

IGBT: Struktur Fizikal

IGBT ialah transistor atau suis semikonduktor yang terdiri daripada empat lapisan berselang-seli bahan semikonduktor (PNPN). Apabila voltan yang betul digunakan pada pintu peranti, ia membenarkan arus mengalir—konduksi ini berhenti apabila voltan dikeluarkan.

Sejak penubuhannya, IGBT telah melalui penambahbaikan dan penambahbaikan berterusan, terutamanya dalam mengurangkan kehilangan pensuisan dan mencipta struktur yang lebih nipis. Pada masa kini, IGBT lazimnya menggabungkan pintu parit yang digabungkan dengan struktur hentian medan sebagai cara untuk menyekat ciri NPN parasit dalam peranti. Setelah dicapai, kehilangan pengaliran dan voltan tepu dikurangkan, menghasilkan faedah seperti peningkatan ketumpatan kuasa.

Rajah 1: Struktur IGBT Hentian Medan dengan Potongan Saluran Parit

Penggunaan IGBT dan Contoh Teknikal

IGBT menemui aplikasi yang luas dalam pelbagai bidang, termasuk penyongsang solar, sistem penyimpanan tenaga, bekalan kuasa tidak terganggu (UPS), pemacu motor, pengecas kenderaan elektrik, kimpalan industri dan peralatan rumah. Lazimnya, struktur topologi dipilih secara khusus untuk memenuhi keperluan aplikasi tertentu. Mari bandingkan dan bezakan beberapa aplikasi popular.

Kimpalan Perindustrian

Memandangkan permintaan untuk kimpalan berkualiti tinggi, ia memerlukan kawalan yang tepat ke atas proses kimpalan. Oleh itu, penyongsang biasanya digunakan dan bukannya transformer kimpalan biasa kerana arus keluaran DC boleh mencapai ketepatan yang diperlukan.

Terdapat juga aspek keselamatan kerana arus DC secara amnya dianggap lebih selamat. Dari perspektif pengguna, penyongsang adalah lebih kecil dan ringan berbanding dengan transformer, menjadikan mesin kimpalan lebih mudah alih dan mudah digunakan.

Dalam mesin kimpalan biasa, kuasa AC fasa tunggal atau tiga fasa dibetulkan untuk membentuk voltan bas DC. Penerus juga memberi kuasa kepada penukar kecil yang menjana voltan yang diperlukan oleh unit kawalan. Voltan bas DC memberi kuasa kepada penyongsang, yang biasanya mempunyai voltan keluaran nominal sekitar 30 VDC. Walau bagaimanapun, semasa operasi, di bawah keadaan beban litar terbuka, voltan mungkin berganda dan turun kepada hampir 0V (sebenarnya litar pintas) apabila mencetuskan arka kimpalan."

Rajah 2: Gambaran Keseluruhan Mesin Kimpalan Biasa

Banyak struktur topologi yang berbeza sesuai untuk mesin kimpalan berasaskan penyongsang. Walau bagaimanapun, yang paling biasa termasuk Jambatan Penuh (FB), Jambatan Separuh (HB) dan Dua Suis Ke Hadapan. Dalam topologi FB dan HB, frekuensi pensuisan biasanya dalam julat puluhan kHz, biasanya sekitar 20 - 50 kHz. Kitaran tugas dikawal berdasarkan tahap beban dan voltan keluaran. Dari segi skim kawalan, ia selalunya arus malar.

Rajah 3: Topologi biasa termasuk FB, HB, dan Two-Switch Forward

Pemandu Motor Industri

Salah satu aplikasi perindustrian yang paling biasa ialah pemacu motor industri, yang boleh digunakan untuk robot, jentera besar, atau banyak aplikasi lain yang bergantung kepada gerakan. Kebanyakan aplikasi pemacu motor dikonfigurasikan sebagai HB, dengan frekuensi antara 2 kHz dan 15 kHz. Voltan keluaran yang terhasil bergantung pada status suis dan kekutuban arus.

Rajah 4: Topologi Half Bridge yang memaparkan arus keluaran positif dan negatif.

Motor adalah beban induktif, jadi arus meningkat dengan cepat. Apabila arus positif mengalir (Ig > 0), transistor sisi tinggi (T1) dihidupkan dan menghantar tenaga kepada beban (Vg). Walau bagaimanapun, jika arus beban Ig mengalir dalam arah yang bertentangan (kekutuban negatif), arus mengalir kembali melalui D1, mengembalikan tenaga kepada sumber DC.

Jika transistor sisi rendah mengalir (T4 dihidupkan) dan transistor sisi tinggi (T1) dimatikan, voltan bersamaan separuh daripada Vbus (-Vbus/2) dikenakan pada beban, mengurangkan arus. Jika Ig lebih besar daripada sifar, arus mengalir melalui D4, mengembalikan tenaga kepada punca bas.

Akan bersambung...