Wszystko o IGBT

Mimo że niektórzy uważają IGBT za technologię „konwencjonalną”, nadal odgrywa ona znaczącą rolę w zastosowaniach o dużej mocy.

Obecnie większość wiadomości i dyskusji w branży półprzewodnikowej koncentruje się wokół urządzeń opartych na nowych materiałach o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), takich jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN). Jednak jeszcze kilka lat temu preferowanym rozwiązaniem w wielu zastosowaniach był tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT).

Wciąż istnieją aplikacje o średniej i dużej mocy wykorzystujące tranzystory IGBT, a same urządzenia stale ewoluują. W tym artykule zagłębimy się w szczegóły dotyczące tranzystorów IGBT i przyjrzymy się ich obecnym i przyszłym zastosowaniom.

IGBT: Struktura fizyczna

IGBT to tranzystor półprzewodnikowy lub przełącznik składający się z czterech naprzemiennie ułożonych warstw materiałów półprzewodnikowych (PNPN). Po przyłożeniu odpowiedniego napięcia do bramki urządzenia, prąd może płynąć – przewodzenie to ustaje po odłączeniu napięcia.

Od momentu powstania tranzystory IGBT były stale udoskonalane i ulepszane, szczególnie w zakresie redukcji strat przełączania i tworzenia cieńszych struktur. Obecnie tranzystory IGBT zazwyczaj zawierają bramkę typu „rowk gate” połączoną ze strukturą „field stop”, aby tłumić pasożytnicze charakterystyki tranzystorów NPN w urządzeniu. Po osiągnięciu tego celu, straty przewodzenia i napięcie nasycenia ulegają redukcji, co przekłada się na korzyści takie jak zwiększona gęstość mocy.

Rysunek 1: Struktura tranzystora IGBT typu Field-Stop z odcięciem kanału rowkowego

Wykorzystanie IGBT i przykłady techniczne

Tranzystor IGBT znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym w falownikach słonecznych, systemach magazynowania energii, zasilaczach UPS, napędach silników, ładowarkach pojazdów elektrycznych, spawarkach przemysłowych i urządzeniach gospodarstwa domowego. Zazwyczaj struktura topologii jest dobierana specjalnie pod kątem wymagań konkretnego zastosowania. Porównajmy i zestawmy kilka popularnych zastosowań.

Spawanie przemysłowe

Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na spawanie wyższej jakości, wymaga to precyzyjnej kontroli nad procesem spawania. Dlatego zamiast typowych transformatorów spawalniczych powszechnie stosuje się falowniki, ponieważ prąd wyjściowy prądu stałego może osiągnąć niezbędną dokładność.

Istnieje również aspekt bezpieczeństwa, ponieważ prąd stały jest ogólnie uważany za bezpieczniejszy. Z punktu widzenia użytkownika falowniki są mniejsze i lżejsze w porównaniu do transformatorów, dzięki czemu spawarki są bardziej przenośne i wygodne w użyciu.

W typowej spawarce jednofazowa lub trójfazowa moc prądu przemiennego jest prostowana w celu wytworzenia napięcia szyny DC. Prostownik zasila także małe przetwornice, które generują napięcie wymagane przez jednostkę sterującą. Napięcie szyny DC zasila falownik, którego nominalne napięcie wyjściowe wynosi zazwyczaj około 30 VDC. Jednakże podczas pracy, w warunkach obciążenia obwodu otwartego, napięcie może się podwoić i spaść do prawie 0 V (właściwie zwarcie) podczas wyzwalania łuku spawalniczego.

Rysunek 2: Przegląd typowej spawarki

Wiele różnych struktur topologicznych jest odpowiednich dla spawarek inwertorowych. Jednak najpopularniejsze to Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) i Two-Switch Forward. W topologiach FB i HB częstotliwość przełączania mieści się zazwyczaj w zakresie kilkudziesięciu kHz, zwykle około 20–50 kHz. Cykl pracy jest kontrolowany w oparciu o poziom obciążenia i napięcie wyjściowe. Jeśli chodzi o schematy sterowania, często jest to prąd stały.

Rysunek 3: Typowe topologie obejmują FB, HB i dwa przełączniki do przodu

Sterowniki silników przemysłowych

Jednym z najpowszechniejszych zastosowań przemysłowych są sterowniki silników przemysłowych, które można stosować w robotach, dużych maszynach lub w wielu innych zastosowaniach zależnych od ruchu. Większość zastosowań sterowników silników jest skonfigurowana jako HB, z częstotliwościami od 2 kHz do 15 kHz. Wynikowe napięcie wyjściowe zależy od stanu przełącznika i polaryzacji prądu.

Rysunek 4: Topologia półmostka wyświetlająca dodatni i ujemny prąd wyjściowy.

Silnik jest obciążeniem indukcyjnym, więc prąd szybko rośnie. Kiedy płynie prąd dodatni (Ig > 0), tranzystor strony wysokiego napięcia (T1) włącza się i dostarcza energię do obciążenia (Vg). Jeśli jednak prąd obciążenia Ig płynie w przeciwnym kierunku (biegunowość ujemna), prąd przepływa z powrotem przez D1, zwracając energię do źródła prądu stałego.

Jeżeli tranzystor po stronie niskiego napięcia przewodzi (T4 jest włączony), a tranzystor po stronie wysokiego napięcia (T1) jest wyłączony, do obciążenia przykładane jest napięcie równe połowie Vbus (-Vbus/2), redukując prąd. Jeśli Ig jest większe od zera, prąd przepływa przez D4, zwracając energię do źródła magistrali.

Ciąg dalszy nastąpi...