充分利用IGBT的關(guān)鍵在于要知道何時(shí)、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(fēng)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(cháng)，然后快速探討一下這些多用途器件的未來(lái)前景。

焊接機

許多現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(kāi)關(guān)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。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 2：IGBT用于焊接的全橋、半橋和雙管正激拓撲結構

電磁爐

電磁爐的原理是，通過(guò)勵磁線(xiàn)圈迫使電流在高磁導率材質(zhì)的鍋內循環(huán)。然后，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，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(kāi)關(guān)

●   功率因子接近 1

●   寬負載范圍

基于諧振電路的拓撲結構是最常用的，原因是它們能支持高頻開(kāi)關(guān)而不影響效率，最常見(jiàn)的是諧振半橋 (RHB) 轉換器和準諧振 (QR) 逆變器。RHB 的優(yōu)點(diǎn)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(guò) 2 kW）。

圖 4：RHB 和 QR 拓撲結構

電機驅動(dòng)

半橋轉換器 (HB) 是電機驅動(dòng)應用中一種常見(jiàn)的拓撲結構，頻率介于 2kHz 至 15kHz 之間。

圖 5：半橋拓撲結構顯示正輸出電流和負輸出電流

但是，這種快速開(kāi)關(guān)拓撲結構有一些局限性。其中包括：

●   只有兩個(gè)輸出電壓電平

●   被動(dòng)和主動(dòng)器件受到應力

●   開(kāi)關(guān)損耗高

●   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）

●   設備串聯(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

新一代 IGBT 拓撲結構

對于不間斷電源 (UPS)和太陽(yáng)能逆變器這樣的應用，需要設計出具有多個(gè)電壓電平的新拓撲結構來(lái)打破這些局限。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。此外，輸出狀態(tài)增多，整個(gè)濾波器的電壓會(huì )相應減小，因此可以使用更小的組件。由于開(kāi)關(guān)損耗更低，這些拓撲結構非常適用于更高的頻率（16kHz 至 40kHz），并具有出色的效率表現（約 98%）。

圖 6：I 型和 T 型轉換器拓撲結構

IGBT 的未來(lái)將會(huì )如何發(fā)展？

盡管 IGBT 已經(jīng)問(wèn)世了很長(cháng)一段時(shí)間，并且它仍是許多高電壓和大電流應用的理想之選。然而，它們不僅出現在常規設計中，而是越來(lái)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構，它們通過(guò)提升電流密度和降低開(kāi)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構。

安森美 (onsemi)推出的1200 V 溝槽場(chǎng)截止 VII (FS7) IGBT，以出色的性能將導通損耗和開(kāi)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(kāi)關(guān)性能。FGY75T120SWD是現有 1200 V IGBT 中開(kāi)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(jìn)了 0.4 V。這些新器件旨在提高快速開(kāi)關(guān)應用的效率，主要用于能源基礎設施應用，例如太陽(yáng)能逆變器、不間斷電源 (UPS)、儲能和電動(dòng)汽車(chē)充電電源轉換。這款全新 1200 V 溝槽場(chǎng)截止 VII (FS7) IGBT 可用來(lái)將輸入電壓提升至高壓（升壓級），和用于為高開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗可實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率，減小磁性組件的尺寸，提高功率密度并降低系統成本。在大功率能源基礎設施應用中，FS7 器件的正溫度系數易于實(shí)現并聯(lián)工作。

圖 7：1200 V 溝槽場(chǎng)截止 VII (FS7) IGBT