Hoewel sommigen IGBT als een 'conventionele' technologie beschouwen, speelt het nog steeds een belangrijke rol in toepassingen met een hoog vermogen.

Tegenwoordig draait het meeste nieuws en de meeste discussies in de halfgeleiderindustrie om apparaten gebaseerd op nieuwe materialen met een brede bandgap (WBG), zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN). Slechts een paar jaar geleden was de Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) echter de voorkeursoplossing voor veel toepassingen.

Er zijn nog steeds toepassingen met een gemiddeld tot hoog vermogen die gebruikmaken van IGBT's, en de apparaten zelf blijven zich ontwikkelen. In dit artikel gaan we dieper in op de details van IGBT's en onderzoeken we hun bestaande en opkomende toepassingen.

IGBT: Fysieke structuur

IGBT is een halfgeleidertransistor of -schakelaar die bestaat uit vier afwisselende lagen halfgeleidermateriaal (PNPN). Wanneer de juiste spanning op de gate van het apparaat wordt gezet, laat deze stroom door; deze geleiding stopt wanneer de spanning wordt weggenomen.

Sinds de introductie is IGBT voortdurend verfijnd en verbeterd, met name door schakelverliezen te verminderen en dunnere structuren te creëren. Tegenwoordig bevatten IGBT's vaak een trenchgate in combinatie met een veldstopstructuur om parasitaire NPN-karakteristieken in het apparaat te onderdrukken. Zodra dit is bereikt, worden geleidingsverliezen en verzadigingsspanning verminderd, wat resulteert in voordelen zoals een hogere vermogensdichtheid.

Figuur 1: Structuur van Field-Stop IGBT met Trench Channel Cutoff

IGBT-gebruik en technische voorbeelden

IGBT vindt brede toepassingen in diverse sectoren, waaronder zonne-omvormers, energieopslagsystemen, onderbrekingsvrije voedingen (UPS), motoraandrijvingen, laders voor elektrische voertuigen, industrieel lassen en huishoudelijke apparaten. De topologiestructuur wordt doorgaans specifiek gekozen om te voldoen aan de eisen van een specifieke toepassing. Laten we enkele populaire toepassingen vergelijken en contrasteren.

Industrieel lassen

Gezien de vraag naar laswerk van hogere kwaliteit vereist dit nauwkeurige controle over het lasproces. Daarom worden vaak omvormers gebruikt in plaats van typische lastransformatoren, omdat DC-uitgangsstroom de nodige nauwkeurigheid kan bereiken.

Er is ook een veiligheidsaspect, aangezien gelijkstroom over het algemeen als veiliger wordt beschouwd. Vanuit het perspectief van de gebruiker zijn omvormers kleiner en lichter in vergelijking met transformatoren, waardoor lasmachines draagbaarder en gebruiksvriendelijker worden.

In een typisch lasapparaat wordt eenfasige of driefasige wisselstroom gelijkgericht om de gelijkstroombusspanning te vormen. De gelijkrichter voedt ook de kleine omvormers die de spanning genereren die de besturingseenheid nodig heeft. De DC-busspanning voedt de omvormer, die doorgaans een nominale uitgangsspanning van ongeveer 30 VDC heeft. Tijdens bedrijf kan de spanning echter onder open circuitbelasting verdubbelen en dalen tot bijna 0 V (eigenlijk kortsluiting) wanneer de lasboog wordt geactiveerd."

Figuur 2: Overzicht van een typisch lasapparaat

Veel verschillende topologiestructuren zijn geschikt voor invertergebaseerde lasmachines. De meest voorkomende zijn echter Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) en Two-Switch Forward. In FB- en HB-topologieën ligt de schakelfrequentie doorgaans in het bereik van tientallen kHz, meestal rond de 20 - 50 kHz. De duty-cycle wordt geregeld op basis van het belastingsniveau en de uitgangsspanning. In termen van besturingsschema's is het vaak een constante stroom.

Afbeelding 3: Veel voorkomende topologieën zijn onder meer FB, HB en vooruit met twee schakelaars

Industriële motorbestuurders

Een van de meest voorkomende industriële toepassingen zijn industriële motoraansturingen, die kunnen worden gebruikt voor robots, grote machines of vele andere bewegingsafhankelijke toepassingen. De meeste motordrivertoepassingen zijn geconfigureerd als HB, met frequenties tussen 2 kHz en 15 kHz. De resulterende uitgangsspanning is afhankelijk van de schakelaarstatus en de huidige polariteit.

Afbeelding 4: Half Bridge-topologie met weergave van positieve en negatieve uitgangsstroom.

De motor is een inductieve belasting, dus de stroom neemt snel toe. Wanneer er een positieve stroom vloeit (Ig > 0), wordt de hogezijdetransistor (T1) ingeschakeld en levert hij energie aan de belasting (Vg). Als de belastingsstroom Ig echter in de tegenovergestelde richting stroomt (negatieve polariteit), vloeit de stroom terug door D1, waardoor de energie wordt teruggestuurd naar de DC-bron.

Als de lagezijdetransistor geleidt (T4 is aan) en de hogezijdetransistor (T1) is uitgeschakeld, wordt een spanning gelijk aan de helft van Vbus (-Vbus/2) op de belasting toegepast, waardoor de stroom wordt verminderd. Als Ig groter is dan nul, vloeit de stroom door D4 en keert de energie terug naar de busbron.

Wordt vervolgd...