充分利用IGBT的關(guān)鍵在于要知道何時、何地以及如何使用它們

如今，碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶半導體風頭正盛。但在此之前，絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)才是電力電子行業(yè)的主角。本文將介紹IGBT在哪些應用中仍能發(fā)揮所長，然后快速探討一下這些多用途器件的未來前景。

焊接機

許多現(xiàn)代化焊接機使用逆變器，而非焊接變壓器，因為直流輸出電流可以提高焊接工藝的控制精度。更多優(yōu)勢還包括直流電流比交流電流更安全，并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。

圖 1：焊接機框圖

焊接逆變器常用的開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)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。全橋和半橋拓撲結(jié)構(gòu)的 IGBT 開關(guān)頻率通常在 20 至 50 kHz 之間。

圖 2：IGBT用于焊接的全橋、半橋和雙管正激拓撲結(jié)構(gòu)

電磁爐

電磁爐的原理是，通過勵磁線圈迫使電流在高磁導率材質(zhì)的鍋內(nèi)循環(huán)。然后，逆變器將電流導入銅線圈，從而產(chǎn)生電磁場。電磁場穿透鍋底，產(chǎn)生電流，使鍋升溫。

圖 3：電磁爐框圖

對電磁爐的基本要求如下：

●   高頻開關(guān)

●   功率因子接近 1

●   寬負載范圍

基于諧振電路的拓撲結(jié)構(gòu)是最常用的，原因是它們能支持高頻開關(guān)而不影響效率，最常見的是諧振半橋 (RHB) 轉(zhuǎn)換器和準諧振 (QR) 逆變器。RHB 的優(yōu)點是它的負載工作范圍很大，并且能夠提供超高功率。而 QR 成本較低，非常適合中低功率范圍（峰值功率不超過 2 kW）。

圖 4：RHB 和 QR 拓撲結(jié)構(gòu)

電機驅(qū)動

半橋轉(zhuǎn)換器 (HB) 是電機驅(qū)動應用中一種常見的拓撲結(jié)構(gòu)，頻率介于 2kHz 至 15kHz 之間。

圖 5：半橋拓撲結(jié)構(gòu)顯示正輸出電流和負輸出電流

但是，這種快速開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)有一些局限性。其中包括：

●   只有兩個輸出電壓電平

●   被動和主動器件受到應力

●   開關(guān)損耗高

●   柵極驅(qū)動難度加大

●   紋波電流升高

●   EMI 變高

●   電壓處理（無法與高電壓母線結(jié)合使用）

●   設備串聯(lián)增加了實施工作的復雜性

●   難以達到熱平衡

●   高濾波要求

新一代 IGBT 拓撲結(jié)構(gòu)

對于不間斷電源 (UPS)和太陽能逆變器這樣的應用，需要設計出具有多個電壓電平的新拓撲結(jié)構(gòu)來打破這些局限。常見結(jié)構(gòu)包括單極性開關(guān) I 型和 T 型轉(zhuǎn)換器，它們能夠在較高的母線電壓下工作。此外，輸出狀態(tài)增多，整個濾波器的電壓會相應減小，因此可以使用更小的組件。由于開關(guān)損耗更低，這些拓撲結(jié)構(gòu)非常適用于更高的頻率（16kHz 至 40kHz），并具有出色的效率表現(xiàn)（約 98%）。

圖 6：I 型和 T 型轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)

IGBT 的未來將會如何發(fā)展？

盡管 IGBT 已經(jīng)問世了很長一段時間，并且它仍是許多高電壓和大電流應用的理想之選。然而，它們不僅出現(xiàn)在常規(guī)設計中，而是越來越多地被用于新的設計。這是因為最近推出的器件具有新穎的結(jié)構(gòu)，它們通過提升電流密度和降低開關(guān)損耗，將Vcesat 降得更低（接近 1V）。要最大限度地發(fā)揮使用 IGBT 的優(yōu)勢，就必須了解應用要求并選擇正確的電路拓撲結(jié)構(gòu)。

安森美 (onsemi)推出的1200 V 溝槽場截止 VII (FS7) IGBT，以出色的性能將導通損耗和開關(guān)損耗盡可能降低。

這款全新 1200 V 器件具有優(yōu)秀的導通和開關(guān)性能。FGY75T120SWD是現(xiàn)有 1200 V IGBT 中開關(guān)性能最好的產(chǎn)品之一。FGY100T120RWD在 100 A 額定電流下的Vcesat低至 1.45 V，比上代器件改進了 0.4 V。這些新器件旨在提高快速開關(guān)應用的效率，主要用于能源基礎設施應用，例如太陽能逆變器、不間斷電源 (UPS)、儲能和電動汽車充電電源轉(zhuǎn)換。這款全新 1200 V 溝槽場截止 VII (FS7) IGBT 可用來將輸入電壓提升至高壓（升壓級），和用于為高開關(guān)頻率能源基礎設施應用提供交流輸出的逆變器。FS7 器件的低開關(guān)損耗可實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，減小磁性組件的尺寸，提高功率密度并降低系統(tǒng)成本。在大功率能源基礎設施應用中，F(xiàn)S7 器件的正溫度系數(shù)易于實現(xiàn)并聯(lián)工作。

圖 7：1200 V 溝槽場截止 VII (FS7) IGBT