關於 IGBT 的一切

儘管有些人可能認為 IGBT 是「傳統」技術，但它在高功率應用中仍然發揮著重要作用。

如今，半導體行業的大多數新聞和討論都圍繞著基於新型寬頻隙 (WBG) 材料（例如碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)）的裝置。然而，就在幾年前，許多應用的首選解決方案還是絕緣柵雙極電晶體 (IGBT)。

目前，中高功率應用仍在使用 IGBT，而且 IGBT 裝置本身也在不斷發展。本文將深入探討 IGBT 的細節，並探索其現有和新興的應用。

IGBT：物理結構

IGBT 是由四層交替排列的半導體材料 (PNPN) 所構成的半導體電晶體或開關。當在元件閘極施加正確的電壓時，電流會通過；移除電壓後，電流會停止傳導。

自誕生以來，IGBT 不斷改進和完善，尤其是在降低開關損耗和打造更薄的結構方面。如今，IGBT 通常採用溝槽閘極與場截止結構結合，以抑制元件內部的寄生 NPN 特性。一旦實現這一目標，導通損耗和飽和電壓就會降低，從而帶來諸如功率密度提升等優勢。

圖 1：具有溝槽通道截止功能的場截止 IGBT 結構

IGBT 的應用和技術範例

IGBT 廣泛應用於各個領域，包括太陽能逆變器、儲能係統、不間斷電源 (UPS)、馬達驅動器、電動汽車充電器、工業焊接以及家用電器。通常，拓樸結構的選擇取決於特定應用的需求。讓我們來比較一下一些常見的應用。

工業焊接

考慮到更高品質的焊接需求，需要對焊接過程進行精確控制。因此，通常使用逆變器來取代典型的焊接變壓器，因為直流輸出電流可以達到必要的精度。

還有一個安全方面的問題，因為直流電通常被認為更安全。從使用者的角度來看，逆變器比變壓器更小、更輕，讓焊接機更便攜、更方便使用。

在典型的焊接機中，單相或三相交流電源被整流以形成直流總線電壓。整流器也為小型轉換器供電，產生控制單元所需的電壓。直流母線電壓為逆變器供電，其標稱輸出電壓通常約為 30 VDC。然而，在操作過程中，在開路負載條件下，觸發焊接電弧時，電壓可能會翻倍並降至幾乎0V（實際上是短路）。

圖 2：典型焊接機概述

許多不同的拓撲結構都適用於基於逆變器的焊接機。然而，最常見的包括全橋 (FB)、半橋 (HB) 和雙開關正激。在 FB 和 HB 拓撲中，開關頻率通常在數十 kHz 範圍內，通常在 20 - 50 kHz 左右。佔空比根據負載等級和輸出電壓進行控制。就控制方案而言，往往是恆流。

圖 3：常見拓樸包括 FB、HB 和兩開關轉發

工業馬達驅動器

最常見的工業應用之一是工業馬達驅動器，它可用於機器人、大型機械或許多其他依賴運動的應用。大多數馬達驅動器應用配置為 HB，頻率在 2 kHz 到 15 kHz 之間。產生的輸出電壓取決於開關狀態和電流極性。

圖 4：顯示正負輸出電流的半橋拓樸。

馬達是感性負載，因此電流增加很快。當正電流流動時 (Ig > 0)，高側電晶體 (T1) 導通並向負載 (Vg) 輸送能量。然而，如果負載電流 Ig 沿著相反方向（負極性）流動，電流將通過 D1 回流，將能量返回至直流源。

如果低側電晶體導通（T4 導通）且高側電晶體 (T1) 關閉，則會對負載施加等於 Vbus 一半 (-Vbus/2) 的電壓，從而減少電流。如果 Ig 大於零，則電流流過 D4，將能量放回匯流排。

未完待續...