В настоящее время большая часть новостей и дискуссий в полупроводниковой отрасли посвящена устройствам на основе новых материалов с широкой запрещенной зоной, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN).
Приложения средней и высокой мощности, в которых использовались IGBT, по-прежнему существуют, как и сами транзисторы. В этой статье мы подробно рассмотрим IGBT, а затем проанализируем существующие и новые топологии, для которых они подходят.
IGBT: физическая структура
IGBT – это полупроводниковый транзистор, или полупроводниковый переключатель, состоящий из четырех чередующихся слоев (p-n-p-n) полупроводникового материала (Рисунок 1). Когда к затвору устройства прикладывается соответствующее напряжение, оно способно проводить ток; при снятии этого напряжения ток прекращается.
 |
|
| Рисунок 1. | Конструкция IGBT с щелевой структурой. |
С момента своего появления IGBT оттачивались и совершенствовались, особенно в части снижения потерь на переключение, а также создания более тонких структур. В настоящее время в IGBT для подавления паразитных n-p-n характеристик прибора часто используется сочетание канавочной структуры затвора и слоя Field Stop. При этом снижаются потери на проводимость и напряжение насыщения, что дает такие преимущества, как повышение плотности мощности.
Примеры и технологии использования IGBT
IGBT используются в самых различных областях, включая солнечные инверторы, системы накопления энергии, источники бесперебойного питания (ИБП), приводы электродвигателей, зарядные устройства для электромобилей, промышленные сварочные аппараты, а также бытовые приборы. Часто топология выбирается специально для наилучшего соответствия требованиям конкретного приложения, поэтому мы сравним и рассмотрим несколько популярных приложений.
Промышленная сварка
В связи с необходимостью получения более качественных сварных швов возникает потребность в более точном управлении процессом сварки. По этой причине обычно используется инвертор, а не обычный сварочный трансформатор, так как постоянный выходной ток позволяет достичь необходимой точности.
В этом также есть аспект безопасности, поскольку постоянный ток обычно считается более безопасным. С точки зрения пользователя, инвертор меньше и легче трансформатора, поэтому сварочный аппарат более компактен и удобен в использовании.
В типичном сварочном аппарате напряжение сети переменного тока, одно- или трехфазное, выпрямляется для получения напряжения шины постоянного тока (Рисунок 2). Выпрямитель также питает небольшой преобразователь, вырабатывающий напряжение (напряжения), необходимое для блока управления. Напряжение шины постоянного тока питает инвертор, номинальное постоянное выходное напряжение которого обычно составляет около 30 В. Однако в процессе работы оно может увеличиваться вдвое при отсутствии нагрузки и снижаться почти до 0 В (фактически короткое замыкание) при зажиганиях сварочной дуги.
 |
|
| Рисунок 2. | Структура типичного сварочного аппарата. |
Для использования в инверторных сварочных аппаратах подходит ряд различных топологий. Однако наиболее распространенными являются полномостовая, полумостовая и асимметричная топологии (Рисунок 3). В полномостовой и полумостовой топологиях частота переключения составляет десятки килогерц, обычно в диапазоне 20 - 50 кГц. Коэффициент заполнения регулируется в зависимости от уровня нагрузки и выходного напряжения. С точки зрения схемы управления это, как правило, постоянный ток.
 |
|
| Рисунок 3. | К распространенным топологиям относятся полномостовая, полумостовая и асимметричная. |
Промышленные приводы двигателей
Одним из наиболее распространенных индустриальных приложений являются промышленные приводы двигателей, которые могут использоваться в робототехнике, крупногабаритном оборудовании и многих других областях, где требуется движение. Большинство приводов двигателей имеют полумостовую конфигурацию и частоту переключения от 2 кГц до 15 кГц. При этом выходное напряжение зависит от состояния переключателей и полярности тока (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Полумостовая топология с указанием направлений протекания положительного и отрицательного выходного тока. |
Двигатели представляют собой индуктивную нагрузку, поэтому ток в них нарастает быстро. При протекании положительного тока (IG > 0) транзистор верхнего плеча T1 проводит ток, отдавая энергию в нагрузку (VG). Однако если ток нагрузки IG течет в противоположном направлении (отрицательной полярности), то через диод D1 ток течет обратно, возвращая энергию в источник постоянного тока.
Если транзистор нижнего плеча Т4 проводит ток, а транзистор верхнего плеча T1 закрыт, то к нагрузке прикладывается напряжение, равное –VBUS/2), что уменьшает протекающий ток. Если IG больше нуля, ток течет через диод D4, возвращая энергию в источник шины.
Современные индукционные плиты
отличие от традиционных электрических нагревательных элементов, которые нагреваются и передают тепловую энергию кастрюле, в индукционной плите используется принцип возбуждения проволочной катушки, заставляющей ток циркулировать внутри основания кастрюли (Рисунок 5). Для того чтобы приготовление пищи на индукционной плите было возможным, дно кастрюли должно быть физически близко к катушке, и подходят для этого только определенные металлы – требуется материал с высокой магнитной проницаемостью.
 |
|
| Рисунок 5. | Функциональная схема типичной индукционной плиты. |
В теории эта технология похожа на обычный силовой трансформатор, где катушка является первичной обмоткой, а основание кастрюли – вторичной. Она также имеет много общего с современными технологиями беспроводной индуктивной зарядки.
Тепло, необходимое для нагрева кастрюли, выделяется за счет циркуляции вихревых токов в придонном слое кастрюли или, точнее, за счет сопротивления протеканию этих токов. С помощью индуктивной связи около 90% энергии передается на нагрев кастрюли. Типичная неиндукционная плита с гладкой поверхностью передает только около 70% энергии, поэтому потери снижаются в три раза.
Используемая топология не слишком отличается от схемы сварочного аппарата. Сетевое переменное напряжение выпрямляется для использования инвертором и небольшим вспомогательным источником питания контроллера. Инвертор генерирует ток в медной катушке, тем самым создавая электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в кастрюле. Количество выделяемого тепла равно электрическому сопротивлению дна кастрюли, умноженному на квадрат индуцированного тока – в соответствии с «законом Джоуля».
В отличие от сварочных аппаратов, в схеме управления индукционными плитами часто используется регулирование частоты. Несмотря на простоту такого подхода, проблема заключается в диапазоне частот, необходимых для управления выходной мощностью в широком диапазоне.
Резонансные преобразователи могут работать с высоким КПД даже на тех высоких частотах, которые требуются для индукционных печей. Поэтому в подобных приложениях обычно используются преобразователи на основе резонансных контуров, особенно резонансные полумостовые преобразователи и квазирезонансные инверторы (Рисунок 6). Преобразователи на основе резонансного полумоста особенно ценятся из-за широкого диапазона нагрузок, с которыми они могут работать. Часто для минимизации потерь мощности используются современные методы управления, такие как переключение при нулевом токе или переключение при нулевом напряжении.
 |
|
| Рисунок 6. | Типичные примеры резонансной полумостовой и квазирезонансной топологий. |
Квазирезонансные преобразователи часто используются в маломощных индукционных плитах (пиковая мощность менее 2 Вт) благодаря низкой стоимости этой топологии.
Солнечный инвертор и ИБП
Использование полумостовой топологии в приложениях, требующих высокой частоты коммутации, сопряжено с рядом трудностей, в том числе:
- Возможно получение только двух выходных напряжений
- Коммутационные потери могут быть значительными
- Управление затвором может быть сложным
- Большая нагрузка на компоненты влияет на надежность
- Повышенные пульсации тока и электромагнитные излучения требуют серьезной фильтрации
- Несовместимость с высоковольтной шиной постоянного напряжения
- Тепловой расчет является нетривиальной задачей
В современных приложениях полумостовая топология заменяется в таких ключевых областях применения, как источники бесперебойного питания и солнечные фотоэлектрические инверторы. Доминирующими становятся трехуровневые топологии, известные как I-Type и T-Type (Рисунок 7).
 |
|
| Рисунок 7. | Трехуровневые топологии преобразователей I-Type и T-Type имеют ряд преимуществ перед полумостовой топологией. |
Существует множество направлений совершенствования, включая снижение напряжения на активных компонентах, что уменьшает потери, снижает гармонические искажения и позволяет использовать компоненты меньшего размера. Самое главное, что эти топологии позволяют значительно снизить потери на переключение, обеспечивая КПД, достигающий 98% при высоких рабочих частотах от 16 до 40 кГц.
Взгляд в будущее…
Хотя некоторые считают IGBT «устаревшей» технологией, она продолжает играть важную роль в мощных (высоковольтных/ сильноточных) приложениях. Технология IGBT продолжает развиваться: значения напряжения насыщения приближаются к 1 В, а совершенствование структур повышает плотность мощности и снижает потери.
Как всегда, при работе с IGBT разработчики должны полностью понимать требования приложения и выбирать соответствующую топологию, обеспечивающую наилучшие результаты и характеристики.
