แม้ว่าบางคนอาจมองว่า IGBT เป็นเทคโนโลยี "ทั่วไป" แต่ก็ยังมีบทบาทสำคัญในแอปพลิเคชันพลังงานสูง

ปัจจุบัน ข่าวสารและการอภิปรายส่วนใหญ่ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มักเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ที่ใช้วัสดุแบนด์แก๊ปกว้าง (WBG) ใหม่ เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) อย่างไรก็ตาม เพียงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โซลูชันที่ได้รับความนิยมสำหรับการใช้งานหลายประเภทคือทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เกตฉนวน (IGBT)

ปัจจุบันยังคงมีแอปพลิเคชันกำลังปานกลางถึงสูงที่ใช้ IGBT อยู่ และอุปกรณ์เหล่านี้ก็ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในบทความนี้ เราจะเจาะลึกรายละเอียดของ IGBT และสำรวจแอปพลิเคชันปัจจุบันและแอปพลิเคชันที่กำลังพัฒนาอยู่

IGBT: โครงสร้างทางกายภาพ

IGBT คือทรานซิสเตอร์หรือสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ที่ประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สี่ชั้นสลับกัน (PNPN) เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ถูกต้องให้กับเกตของอุปกรณ์ จะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ ซึ่งการนำไฟฟ้านี้จะหยุดลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกดึงออก

นับตั้งแต่เริ่มก่อตั้ง IGBT ได้รับการปรับปรุงและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการลดการสูญเสียจากการสวิตชิ่งและการสร้างโครงสร้างที่บางลง ปัจจุบัน IGBT มักประกอบด้วยเกตร่องลึก (trench gate) ร่วมกับโครงสร้างหยุดสนามแม่เหล็ก (field stop structure) เพื่อยับยั้งคุณสมบัติ NPN ที่เป็นปรสิตภายในอุปกรณ์ เมื่อทำได้แล้ว การสูญเสียการนำไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวจะลดลง ส่งผลให้เกิดประโยชน์ต่างๆ เช่น ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น

รูปที่ 1: โครงสร้างของ IGBT แบบ Field-Stop พร้อมการตัดช่องสัญญาณแบบ Trench

การใช้ IGBT และตัวอย่างทางเทคนิค

IGBT มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในหลากหลายสาขา เช่น อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ ระบบกักเก็บพลังงาน อุปกรณ์จ่ายไฟสำรอง (UPS) ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ เครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า เครื่องเชื่อมอุตสาหกรรม และเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือน โดยทั่วไปแล้ว โครงสร้างโทโพโลยีจะถูกเลือกให้ตรงกับความต้องการของการใช้งานเฉพาะด้าน ลองเปรียบเทียบและวิเคราะห์การใช้งานยอดนิยมบางส่วน

การเชื่อมอุตสาหกรรม

เมื่อพิจารณาถึงความต้องการการเชื่อมที่มีคุณภาพสูงขึ้น จำเป็นต้องมีการควบคุมกระบวนการเชื่อมที่แม่นยำ ดังนั้นจึงมักใช้อินเวอร์เตอร์แทนหม้อแปลงเชื่อมทั่วไป เนื่องจากกระแสไฟขาออก DC สามารถให้ความแม่นยำที่จำเป็นได้

นอกจากนี้ยังมีประเด็นด้านความปลอดภัยด้วย เนื่องจากกระแส DC โดยทั่วไปถือว่าปลอดภัยกว่า จากมุมมองของผู้ใช้ อินเวอร์เตอร์มีขนาดเล็กและเบากว่าเมื่อเทียบกับหม้อแปลงไฟฟ้า ทำให้เครื่องเชื่อมพกพาสะดวกและใช้งานสะดวกยิ่งขึ้น

ในเครื่องเชื่อมทั่วไป ไฟ AC เฟสเดียวหรือสามเฟสจะถูกแก้ไขเพื่อสร้างแรงดันบัส DC วงจรเรียงกระแสยังจ่ายไฟให้กับคอนเวอร์เตอร์ขนาดเล็กที่สร้างแรงดันไฟฟ้าที่ชุดควบคุมต้องการ แรงดันไฟฟ้าบัส DC จ่ายไฟให้กับอินเวอร์เตอร์ ซึ่งโดยทั่วไปจะมีแรงดันเอาต์พุตปกติที่ประมาณ 30 VDC อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการทำงาน ภายใต้สภาวะโหลดวงจรเปิด แรงดันไฟฟ้าอาจเพิ่มเป็นสองเท่าและลดลงเหลือเกือบ 0V (จริงๆ แล้วเป็นการลัดวงจร) เมื่อกระตุ้นส่วนเชื่อม"

รูปที่ 2: ภาพรวมของเครื่องเชื่อมทั่วไป

โครงสร้างโทโพโลยีที่แตกต่างกันจำนวนมากเหมาะสำหรับเครื่องเชื่อมแบบอินเวอร์เตอร์ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่ Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) และ Two-Switch Forward ในโทโพโลยี FB และ HB ความถี่ในการสวิตชิ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงหลายสิบ kHz ซึ่งปกติจะอยู่ที่ประมาณ 20 - 50 kHz รอบการทำงานจะถูกควบคุมตามระดับโหลดและแรงดันเอาต์พุต ในแง่ของแผนการควบคุม มักจะเป็นกระแสคงที่

รูปที่ 3: โทโพโลยีทั่วไป ได้แก่ FB, HB และ Two-Switch Forward

ตัวขับมอเตอร์อุตสาหกรรม

การใช้งานทางอุตสาหกรรมที่พบบ่อยที่สุดอย่างหนึ่งคือตัวขับมอเตอร์ทางอุตสาหกรรม ซึ่งสามารถใช้กับหุ่นยนต์ เครื่องจักรขนาดใหญ่ หรือการใช้งานอื่นๆ ที่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหว แอปพลิเคชันไดรเวอร์มอเตอร์ส่วนใหญ่ได้รับการกำหนดค่าเป็น HB โดยมีความถี่ระหว่าง 2 kHz ถึง 15 kHz แรงดันเอาต์พุตที่ได้จะขึ้นอยู่กับสถานะสวิตช์และขั้วกระแสไฟฟ้า

รูปที่ 4: Half Bridge Topology ที่แสดงกระแสเอาต์พุตเป็นบวกและลบ

มอเตอร์เป็นโหลดแบบเหนี่ยวนำ ดังนั้นกระแสจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อกระแสบวกไหล (Ig > 0) ทรานซิสเตอร์ฝั่งสูง (T1) จะเปิดและส่งพลังงานให้กับโหลด (Vg) อย่างไรก็ตาม หากกระแสโหลด Ig ไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม (ขั้วลบ) กระแสจะไหลย้อนกลับผ่าน D1 เพื่อส่งพลังงานกลับคืนสู่แหล่งกำเนิด DC

หากทรานซิสเตอร์ด้านต่ำนำไฟฟ้า (T4 เปิดอยู่) และทรานซิสเตอร์ด้านสูง (T1) ปิดอยู่ แรงดันไฟฟ้าเท่ากับครึ่งหนึ่งของ Vbus (-Vbus/2) จะถูกจ่ายให้กับโหลด ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าลดลง ถ้า Ig มากกว่าศูนย์ กระแสจะไหลผ่าน D4 เพื่อส่งพลังงานกลับไปยังแหล่งกำเนิดบัส

ยังมีต่อ...