Всё о БТИЗ

Хотя некоторые могут считать IGBT «традиционной» технологией, она по-прежнему играет важную роль в мощных приложениях.

Сегодня большинство новостей и обсуждений в полупроводниковой промышленности вращаются вокруг устройств на основе новых широкозонных (ШЗЗ) материалов, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Однако ещё несколько лет назад предпочтительным решением для многих приложений были биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

IGBT-транзисторы средней и высокой мощности по-прежнему используются, и сами эти устройства продолжают развиваться. В этой статье мы подробно рассмотрим IGBT-транзисторы и рассмотрим их существующие и перспективные области применения.

IGBT: Физическая структура

IGBT — это полупроводниковый транзистор или ключ, состоящий из четырёх чередующихся слоёв полупроводниковых материалов (PNPN). При подаче на затвор прибора соответствующего напряжения ток начинает течь; при снятии напряжения ток прекращается.

С момента своего создания IGBT постоянно совершенствовались и совершенствовались, в частности, в целях снижения потерь при переключении и создания более тонких структур. В настоящее время IGBT обычно включают в себя затвор с траншейным затвором в сочетании с полевой структурой для подавления паразитных NPN-характеристик внутри устройства. Достижение этих показателей приводит к снижению потерь проводимости и напряжения насыщения, что приводит к таким преимуществам, как повышение плотности мощности.

Рисунок 1: Структура IGBT-транзистора с запирающим каналом и траншейным отсечкой

Использование IGBT и технические примеры

IGBT находит широкое применение в различных областях, включая солнечные инверторы, системы накопления энергии, источники бесперебойного питания (ИБП), электроприводы, зарядные устройства для электромобилей, промышленную сварку и бытовую технику. Как правило, топологическая структура выбирается специально в соответствии с требованиями конкретного применения. Давайте сравним и сравним некоторые популярные области применения.

Промышленная сварка

Учитывая потребность в более качественной сварке, необходим точный контроль сварочного процесса. Поэтому инверторы обычно используются вместо обычных сварочных трансформаторов, поскольку выходной постоянный ток может обеспечить необходимую точность.

Существует также аспект безопасности, поскольку постоянный ток обычно считается более безопасным. С точки зрения пользователя, инверторы меньше и легче трансформаторов, что делает сварочные аппараты более портативными и удобными в использовании.

В типичном сварочном аппарате однофазная или трехфазная мощность переменного тока выпрямляется для формирования напряжения шины постоянного тока. Выпрямитель также питает небольшие преобразователи, которые генерируют напряжение, необходимое для блока управления. Напряжение шины постоянного тока питает инвертор, номинальное выходное напряжение которого обычно составляет около 30 В постоянного тока. Однако в процессе работы, в условиях нагрузки холостого хода, напряжение может удвоиться и упасть почти до 0 В (фактически короткое замыкание) при срабатывании сварочной дуги».

Рисунок 2. Обзор типичного сварочного аппарата.

Для инверторных сварочных аппаратов подходит множество различных топологических структур. Однако наиболее распространенными из них являются полный мост (FB), полумост (HB) и вперед с двумя переключателями. В топологиях FB и HB частота переключения обычно находится в диапазоне десятков кГц, обычно около 20–50 кГц. Рабочий цикл контролируется в зависимости от уровня нагрузки и выходного напряжения. Что касается схем управления, то зачастую это постоянный ток.

Рисунок 3. Распространенные топологии включают FB, HB и переадресацию с двумя коммутаторами.

Драйверы промышленных двигателей

Одним из наиболее распространенных промышленных применений являются приводы промышленных двигателей, которые можно использовать для роботов, крупного оборудования или многих других приложений, зависящих от движения. Большинство приложений драйверов двигателей настроены как HB с частотами от 2 до 15 кГц. Результирующее выходное напряжение зависит от состояния переключателя и полярности тока.

Рисунок 4: Топология полумоста, отображающая положительный и отрицательный выходной ток.

Двигатель является индуктивной нагрузкой, поэтому ток быстро возрастает. Когда протекает положительный ток (Ig > 0), транзистор верхнего плеча (T1) включается и подает энергию в нагрузку (Vg). Однако, если ток нагрузки Ig течет в противоположном направлении (отрицательная полярность), ток течет обратно через D1, возвращая энергию источнику постоянного тока.

Если транзистор нижнего плеча проводит ток (T4 включен), а транзистор верхнего плеча (T1) выключен, на нагрузку подается напряжение, равное половине напряжения Vbus (-Vbus/2), уменьшая ток. Если Ig больше нуля, ток протекает через D4, возвращая энергию в источник шины.

Продолжение следует...