【導讀】最近，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶半導體的應用日益增多，受到廣泛關(guān)注。然而，在這些新技術(shù)出現之前，許多高功率應用都是使用高效、可靠的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，事實(shí)上，許多此類(lèi)應用仍然適合繼續使用 IGBT。在本文中，我們介紹 IGBT 器件的結構和運行，并列舉多種不同 IGBT 應用的電路拓撲結構，然后探討這種多用途可靠技術(shù)的新興拓撲結構。
IGBT 器件結構
簡(jiǎn)而言之，IGBT 是由 4 個(gè)交替層 (P-N-P-N) 組成的功率半導體晶體管，通過(guò)施加于金屬氧化物半導體 (MOS) 柵極的電壓進(jìn)行控制。這一基本結構經(jīng)過(guò)逐漸調整和優(yōu)化后，可降低開(kāi)關(guān)損耗，且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 將溝槽柵與場(chǎng)截止結構相結合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行為。該方法有助于降低器件的飽和電壓和導通電阻，從而提升整體功率密度。
圖 1：溝槽場(chǎng)截止 IGBT 結構
應用與拓撲結構
01 焊接機
如今許多焊接機使用逆變器，而非傳統的焊接變壓器，因為直流輸出電流可以提高焊接過(guò)程的控制精度。使用逆變器還有其他優(yōu)勢，比如直流電流比交流電流安全，而且采用逆變器的焊接機具有更高的功率密度，因此重量更輕。功率級（單相或三相）將交流輸入電壓轉換為逆變器的直流母線(xiàn)電壓。輸出電壓通常為 30 V，但一旦啟動(dòng)焊弧，在開(kāi)路負載操作幾乎低至 0 V 的情況下（短路條件），輸出電壓可能高達 60 V DC。
圖 2：焊接機框圖
焊接逆變器中常用的拓撲結構包括全橋、半橋和雙管正激，而恒定電流是最常用的控制方案。占空比因負載電平和輸出電壓而異。全橋和半橋拓撲結構的 IGBT 開(kāi)關(guān)頻率通常在 20 至 50 kHz 之間。
圖 3：全橋、半橋和雙管正激拓撲結構
02 電磁爐
電磁爐的原理是，當高磁導率材質(zhì)的鍋靠近線(xiàn)圈時(shí)，通過(guò)勵磁線(xiàn)圈推動(dòng)（或耦合）鍋內的電流循環(huán)。其運行方式與變壓器大致相同，其中線(xiàn)圈負責初級側，電磁爐底部負責次級側。產(chǎn)生的大部分熱量來(lái)源于鍋底層形成的渦電流循環(huán)。這些系統的能量傳輸效率約為 90%，而頂部光滑的無(wú)感電器裝置的能效僅為 71%，相比之下，（對于同量熱傳遞）前者可節省大約 20% 的能量。逆變器將電流導入銅線(xiàn)圈，從而產(chǎn)生電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)穿透鍋底，形成電流。產(chǎn)生的熱量遵循焦耳效應公式，即鍋的電阻乘以感應電流的平方。
圖 4：電磁爐框圖
對于電磁爐，比較重要的要求包括：
● 高頻開(kāi)關(guān)
● 功率因數接近一
● 寬負載范圍
感應加熱應用的輸出功率控制通?；诳勺冾l率方案。這是一種根據負載或線(xiàn)路頻率變化來(lái)應用的基本方法。然而，該方法存在一個(gè)主要缺點(diǎn)：若要在寬范圍內控制輸出功率，頻率需要大幅變化。
感應加熱最常用的拓撲結構基于諧振回路。諧振轉換器的主要優(yōu)勢是高開(kāi)關(guān)頻率范圍，同時(shí)能效不會(huì )降低。諧振轉換器采用零電流開(kāi)關(guān) (ZCS) 或零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 等控制技術(shù)來(lái)降低功率損耗。諧振半橋 (RHB) 轉換器和準諧振 (QR) 逆變器是備受歡迎的拓撲結構。RHB 結構的優(yōu)勢包括負載工作范圍大，并且能夠提供超高功率。
圖 5：RHB 和 QR 拓撲結構
QR 轉換器的主要優(yōu)勢是成本較低，因此非常適合低至中功率范圍（峰值功率高達 2 kW）、工作頻率介于 20 至 35 kHz 之間的應用。
03 電機驅動(dòng)
半橋轉換器 (HB) 是電機驅動(dòng)應用中一種最常見(jiàn)的拓撲結構，頻率介于 2kHz 至 15kHz 之間。HB 輸出電壓取決于開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流極性。
圖 6：半橋拓撲結構顯示正輸出電流和負輸出電流
考慮到電感負載，電流隨后會(huì )增加。如果負載汲取正電流 (Ig>0)，它將流經(jīng) T1，為負載提供能量 (Vg)。相反，如果負載電流 Ig 為負，電流經(jīng)由 D 流回，將能量返回至直流電源。同樣，如果 T4 開(kāi)通（且 T1 關(guān)閉），會(huì )有 ?Vbus/2 的電壓施加于負載，且電流會(huì )減小。如果 Ig 為正，電流流經(jīng) D4，將能量返回至母線(xiàn)電源。
適合IGBT應用的多電壓等級拓撲結構
快速開(kāi)關(guān)給 HB 拓撲結構帶來(lái)的局限性包括：
● 只有兩個(gè)輸出電壓等級
● 無(wú)源和有源元件受到應力
● 高開(kāi)關(guān)損耗
● 柵極驅動(dòng)難度加大
● 紋波電流升高
● EMI變高
● 電壓處理（無(wú)法與高電壓母線(xiàn)結合使用）
● 器件串聯(lián)增加了實(shí)施工作的復雜性
● 難以達到熱平衡
● 高濾波要求
為了擺脫這些局限性，在不間斷電源 (UPS) 和太陽(yáng)能逆變器等應用中，采用新的多電壓等級拓撲結構。常見(jiàn)結構包括單極性開(kāi)關(guān) I 型和 T 型轉換器，它們能夠在較高的母線(xiàn)電壓下工作。隨著(zhù)可用輸出狀態(tài)增多，濾波器元件之間的電壓相應減小，因此濾波損耗也更低，元件更小。開(kāi)關(guān)損耗有所降低，而導通損耗則小幅增加（適合 16kHz - 40kHz 的較高頻率，可達到約 98% 的高能效）。
圖 7：I 型和 T 型轉換器拓撲結構
IGBT 的未來(lái)
盡管 IGBT 已經(jīng)問(wèn)世很多年，但該技術(shù)仍是許多高電壓和電流應用的理想之選。IGBT 不僅越來(lái)越多地應用于傳統設計，還應用于新設計，因為新推出的器件在不斷地推動(dòng) Vcesat 降低至 1V，并通過(guò)新型結構來(lái)提高電流密度和開(kāi)關(guān)損耗。若要在使用 IGBT 的過(guò)程中獲得最大效益，一個(gè)關(guān)鍵因素是先了解應用要求，然后選擇合適的電路拓撲結構加以實(shí)施。
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