Mọi thứ về IGBT

Mặc dù một số người có thể coi IGBT là công nghệ "thông thường", nhưng nó vẫn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công suất cao.

Ngày nay, hầu hết tin tức và thảo luận trong ngành bán dẫn đều xoay quanh các thiết bị dựa trên vật liệu có khoảng cách dải rộng (WBG) mới như silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN). Tuy nhiên, chỉ vài năm trước, giải pháp được ưa chuộng cho nhiều ứng dụng là Transistor lưỡng cực cổng cách điện (IGBT).

Vẫn còn tồn tại các ứng dụng công suất trung bình đến cao sử dụng IGBT, và bản thân các thiết bị này vẫn đang tiếp tục phát triển. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào chi tiết về IGBT và khám phá các ứng dụng hiện có và mới nổi của chúng.

IGBT: Cấu trúc vật lý

IGBT là một transistor bán dẫn hoặc công tắc được cấu tạo từ bốn lớp vật liệu bán dẫn xen kẽ (PNPN). Khi điện áp chính xác được đặt vào cực cổng của thiết bị, nó cho phép dòng điện chạy qua - quá trình dẫn điện này dừng lại khi điện áp được loại bỏ.

Kể từ khi ra đời, IGBT đã liên tục được cải tiến và nâng cấp, đặc biệt là trong việc giảm tổn thất chuyển mạch và tạo ra cấu trúc mỏng hơn. Ngày nay, IGBT thường kết hợp cổng rãnh với cấu trúc chặn từ trường để triệt tiêu các đặc tính NPN ký sinh bên trong thiết bị. Khi đạt được điều này, tổn thất dẫn điện và điện áp bão hòa được giảm thiểu, mang lại những lợi ích như tăng mật độ công suất.

Hình 1: Cấu trúc của IGBT dừng trường với Ngắt kênh rãnh

Sử dụng IGBT và các ví dụ kỹ thuật

IGBT được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm biến tần năng lượng mặt trời, hệ thống lưu trữ năng lượng, bộ lưu điện (UPS), bộ truyền động động cơ, bộ sạc xe điện, hàn công nghiệp và thiết bị gia dụng. Thông thường, cấu trúc liên kết được lựa chọn cụ thể để đáp ứng các yêu cầu của một ứng dụng cụ thể. Hãy cùng so sánh và đối chiếu một số ứng dụng phổ biến.

Hàn công nghiệp

Xét đến nhu cầu hàn chất lượng cao hơn, cần phải kiểm soát chính xác quá trình hàn. Vì vậy, biến tần thường được sử dụng thay thế cho các máy biến áp hàn thông thường vì dòng điện một chiều ra có thể đạt được độ chính xác cần thiết.

Ngoài ra còn có một khía cạnh an toàn vì dòng điện một chiều thường được coi là an toàn hơn. Theo quan điểm của người dùng, bộ biến tần nhỏ hơn và nhẹ hơn so với máy biến áp, giúp máy hàn trở nên di động và thuận tiện hơn khi sử dụng.

Trong máy hàn thông thường, nguồn điện xoay chiều một pha hoặc ba pha được chỉnh lưu để tạo thành điện áp bus DC. Bộ chỉnh lưu cũng cấp nguồn cho các bộ chuyển đổi nhỏ tạo ra điện áp theo yêu cầu của bộ điều khiển. Điện áp bus DC cấp nguồn cho biến tần, thường có điện áp đầu ra danh định khoảng 30 VDC. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, trong điều kiện tải hở mạch, điện áp có thể tăng gấp đôi và tụt xuống gần như 0V (thực chất là đoản mạch) khi kích hoạt hồ quang hàn.”

Hình 2: Tổng quan về một máy hàn điển hình

Nhiều cấu trúc liên kết khác nhau phù hợp cho máy hàn dựa trên biến tần. Tuy nhiên, những cái phổ biến nhất bao gồm Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) và Two-Switch Forward. Trong cấu trúc liên kết FB và HB, tần số chuyển mạch thường nằm trong khoảng hàng chục kHz, thường là khoảng 20 - 50 kHz. Chu kỳ làm việc được điều khiển dựa trên mức tải và điện áp đầu ra. Về mặt sơ đồ điều khiển, nó thường là dòng điện không đổi.

Hình 3: Các cấu trúc liên kết phổ biến bao gồm FB, HB và Two-Switch Forward

Trình điều khiển động cơ công nghiệp

Một trong những ứng dụng công nghiệp phổ biến nhất là bộ điều khiển động cơ công nghiệp, có thể được sử dụng cho robot, máy móc lớn hoặc nhiều ứng dụng phụ thuộc vào chuyển động khác. Hầu hết các ứng dụng trình điều khiển động cơ được cấu hình là HB, với tần số từ 2 kHz đến 15 kHz. Điện áp đầu ra thu được phụ thuộc vào trạng thái chuyển mạch và cực tính của dòng điện.

Hình 4: Cấu trúc liên kết nửa cầu hiển thị dòng điện đầu ra dương và âm.

Động cơ là tải cảm ứng nên dòng điện tăng nhanh. Khi dòng điện dương chạy qua (Ig > 0), bóng bán dẫn phía cao (T1) sẽ bật và cung cấp năng lượng cho tải (Vg). Tuy nhiên, nếu dòng tải Ig chạy theo hướng ngược lại (cực âm), dòng điện sẽ chạy ngược qua D1, trả lại năng lượng cho nguồn DC.

Nếu bóng bán dẫn phía thấp dẫn điện (T4 bật) và bóng bán dẫn phía cao (T1) tắt, điện áp bằng một nửa Vbus (-Vbus/2) được đặt vào tải, làm giảm dòng điện. Nếu Ig lớn hơn 4, dòng điện chạy qua DXNUMX, trả năng lượng về nguồn bus.

Còn tiếp...