K čemu slouží IGBT tranzistor?

Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT) je polovodičové zařízení se třemi připojovacími svorkami, velmi užitečné díky své vysoké účinnosti, výkonu a rychlému zapínání a vypínání.

IGBT se používají v aplikacích středního a vysokého výkonu, spínaných zdrojích, řízení trakčních motorů a aplikacích indukčního ohřevu.

Protože jsou navrženy tak, aby se rychle zapínaly a vypínaly, používají se IGBT v zesilovačích, které se zabývají komplexními křivkami, pulzně šířkovou modulací (PWM) a nízkopásmovými filtry.

Tato výkonová polovodičová zařízení se používají v nízko a vysokonapěťových AC/DC měničích, CNC strojích, průmyslových robotech, zařízeních pro výrobu polovodičů a lékařských zařízeních.

Dále to mohou být svářečky, různé laboratorní invertory, zdroje nepřerušitelného napájení, stabilizátory, elektropohony, měniče, zařízení pro větrnou a solární energii, amatérská elektrozařízení, jako jsou Tesla transformátory jako DRSSTC atd.

IGBT spínané napájecí zdroje se používají v mnoha inovativních zařízeních, jako jsou elektrická vozidla, chladničky s proměnnou rychlostí, klimatizace, stereo systémy s digitálními zesilovači atd.

Pro technologicky nejpokročilejší řešení tohoto druhu problému byly vynalezeny výkonové moduly IGBT, které, jak lze snadno pochopit z názvu, jsou založeny na tranzistorech IGBT.

Od svého zavedení v roce 1988 do současnosti se IGBT vyvíjely a prosazovaly se oproti jiným technologiím a staly se nejrozšířenějším typem tranzistorů ve výkonových modulech díky svému vynikajícímu výkonu a schopnostem ovládání.

Průmyslové aplikace využívají moduly IGBT, které obsahují mnoho paralelně uspořádaných tranzistorů, které dokážou zpracovat stovky ampér proudu.

Při návrhu a instalaci výkonových elektronických jednotek, zejména s ohledem na technologii měničů, je velmi důležité opatřit polovodičové spínače nejen kvalitní izolací a nepřítomností parazitního rušení, ale také vhodnými tepelnými podmínkami jejich činnosti. Vždy je přitom žádoucí zachovat kompaktnost výrobku, aniž by byla ohrožena spolehlivost celé sestavy.

Pokročilé technologie moderní výroby polovodičových krystalů umožňují získat součástky s nízkým úbytkem napětí, vysokou přípustnou teplotou a nízkými spínacími ztrátami.

Takové moduly jsou schopny pracovat při různých napětích a proudech v závislosti na konkrétním modelu konkrétního modulu IGBT.

Již nyní jsou na trhu dostupné výkonové komponenty od známých světových výrobců pro maximální napětí od 600 do 6500 voltů a maximální proud od 10 do 3600 ampér.

Podle typu montáže se IGBT moduly dělí na: jednoduché spínače, poloviční můstky, choppery, třífázové můstky, dále víceúrovňové sestavy a vysoce specializované kombinace.

Výběr jednoho nebo druhého modulu IGBT závisí na účelu, pro který se plánuje použití.

Pouzdro modulu IGBT obsahuje krystaly, které tvoří tranzistory a diody. Může být několik tranzistorů a diod. Například třífázový můstek s brzdným tranzistorem může obsahovat 7 IGBT tranzistorů a celkem 10 diod.

Mezi samotným krystalem a kovovým substrátem každého prvku je umístěn izolační teplovodivý substrát.

Kovový substrát prvku je zase připájen k vnější měděné desce, která může být buď hotovým radiátorem, nebo může zahrnovat spojení s externím radiátorem.

Konstrukce modulu zpravidla zahrnuje montáž jedné strany na externí chladič, zatímco desku ovladače lze nainstalovat na druhou stranu.

Na tuzemském trhu jsou dnes hojně zastoupeny produkty s různými parametry značek Infineon, Mitsubishi, IXYS a Semikron. Moduly využívají krystaly vyrobené pomocí technologií nejnovější generace.

Existuje velký výběr kompaktních pouzder s pružinovým a šroubovým upevněním vnějších vodičů. Paralelní instalace a párování několika modulů je povoleno, protože jejich pouzdra umožňují kompaktní vzájemné dokování.

Moduly IGBT se neustále zdokonalují, protože jejich výrobci ovládají stále více nových technologií pro vytváření krystalů, pracují na optimalizaci a vylepšování pouzder a externích terminálů, vybírají nejlepší materiály a pracují na zlepšení kritických elektrických charakteristik v následujících oblastech:

• odolnost proti zkratovým proudům,
• snížení kapacity brány,
• pokles saturačního napětí,
• zvýšení pracovní frekvence,
• snížení parazitních indukčností a kapacit,
• zlepšení tepelné vodivosti.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

V současné době se velká část zpráv a diskusí v polovodičovém průmyslu zaměřuje na zařízení založená na nových materiálech se širokým pásmem, jako je karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN).

Aplikace středního a vysokého výkonu, které používaly IGBT, stále existují, stejně jako samotné tranzistory. V tomto článku se blíže podíváme na IGBT a poté analyzujeme stávající a nové topologie, pro které jsou vhodné.

IGBT: fyzická struktura

IGBT je polovodičový tranzistor nebo polovodičový spínač sestávající ze čtyř střídajících se vrstev (pnpn) polovodičového materiálu (obrázek 1). Když je na bránu zařízení přivedeno vhodné napětí, je schopné vést proud; Když je toto napětí odstraněno, proud se zastaví.

Obrázek 1.

IGBT design se štěrbinovou strukturou.

Od svého zavedení byly IGBT zdokonalovány a vylepšeny, zejména pokud jde o snížení ztrát při přepínání a také vytváření tenčích struktur. V současné době IGBT často používají kombinaci drážkové hradlové struktury a vrstvy Field Stop k potlačení parazitních NPN charakteristik zařízení. To snižuje ztráty ve vedení a saturační napětí, což poskytuje výhody, jako je zvýšená hustota výkonu.

Příklady a technologie využití IGBT

IGBT se používají v široké škále aplikací, včetně solárních invertorů, systémů pro uchovávání energie, nepřerušitelných zdrojů napájení (UPS), elektrických motorových pohonů, nabíječek elektrických vozidel, průmyslových svařovacích strojů a domácích spotřebičů. Často je topologie zvolena speciálně tak, aby co nejlépe vyhovovala požadavkům konkrétní aplikace, takže porovnáme a zkontrolujeme několik oblíbených aplikací.

Průmyslové svařování

S potřebou výroby kvalitnějších svarů vzniká potřeba přesnější kontroly svařovacího procesu. Z tohoto důvodu se obvykle používá invertor spíše než konvenční svařovací transformátor, protože konstantní výstupní proud umožňuje dosažení požadované přesnosti.

Je zde také bezpečnostní hledisko, protože stejnosměrný proud je obecně považován za bezpečnější. Z uživatelského hlediska je invertor menší a lehčí než transformátor, takže svařovací stroj je kompaktnější a pohodlnější k použití.

V typické svářeči se střídavé síťové napětí, buď jednofázové nebo třífázové, usměrňuje, aby se vytvořilo napětí stejnosměrné sběrnice (obrázek 2). Usměrňovač také napájí malý měnič, který produkuje napětí požadované řídicí jednotkou. Napětí stejnosměrné sběrnice napájí invertor, jehož jmenovité výstupní stejnosměrné napětí je typicky asi 30 V. Během provozu se však může zdvojnásobit, když není zátěž, a klesnout až na téměř 0 V (ve skutečnosti jde o zkrat) při zapálení svařovacího oblouku .

Obrázek 2.

Konstrukce typického svařovacího stroje.

Pro použití v invertorových svařovacích strojích je vhodná řada různých topologií. Nejběžnější jsou však topologie full-bridge, half-bridge a asymetrické (obrázek 3). V celomůstkových a polovičních topologiích je spínací frekvence desítky kilohertzů, obvykle v rozsahu 20 – 50 kHz. Pracovní cyklus se nastavuje v závislosti na úrovni zátěže a výstupním napětí. Z hlediska řídicího obvodu se obvykle jedná o konstantní proud.

Obrázek 3.

Mezi běžné topologie patří full-bridge, half-bridge a asymetrické.

Průmyslové motorové pohony

Jednou z nejběžnějších průmyslových aplikací jsou průmyslové motorové pohony, které lze použít v robotice, velkých zařízeních a mnoha dalších aplikacích, kde je vyžadován pohyb. Většina motorových pohonů má konfiguraci polovičního můstku a spínací frekvence mezi 2 kHz a 15 kHz. V tomto případě výstupní napětí závisí na stavu spínačů a polaritě proudu (obrázek 4).

Obrázek 4.

Topologie polovičního můstku udávající směry toku kladného a záporného pólu výstupní proud.

Motory jsou indukční zátěže, takže jejich proud rychle narůstá. Když teče kladný proud (I_G > 0) tranzistor na vysoké straně T₁ vede proud a uvolňuje energii do zátěže (V_G). Pokud však zatěžovací proud I_G proudí v opačném směru (záporná polarita), pak přes diodu D₁ proud teče zpět a vrací energii do stejnosměrného zdroje.

Pokud je nízkostranný tranzistor T₄ vede proud a tranzistor na horní straně T₁ sepne, pak se na zátěž přivede napětí rovné –V_AUTOBUS/2), což snižuje protékající proud. Pokud je IG větší než nula, proud protéká diodou D₄, vracející energii do zdroje sběrnice.

Moderní indukční sporáky

Na rozdíl od tradičních elektrických topných těles, která se zahřívají a přenášejí tepelnou energii do pánve, indukční sporák využívá principu nabuzení drátěné cívky, aby proud cirkuloval uvnitř dna pánve (obrázek 5). Aby bylo možné indukční vaření, musí být dno pánve fyzicky blízko cívky a k tomu jsou vhodné pouze určité kovy – je zapotřebí materiál s vysokou magnetickou permeabilitou.

Obrázek 5.

Funkční schéma typického indukčního sporáku.

Teoreticky je tato technologie podobná konvenčnímu výkonovému transformátoru, kde cívka je primární vinutí a základna pánve je sekundární. Má také mnoho společného s moderními technologiemi bezdrátového indukčního nabíjení.

Teplo potřebné k ohřevu pánve se uvolňuje cirkulací vířivých proudů ve spodní vrstvě pánve, přesněji řečeno odporem proudění těchto proudů. Pomocí indukční vazby se asi 90 % energie přenese na ohřev pánve. Typická neindukční varná deska s hladkým povrchem předá jen asi 70 % energie, takže ztráty jsou sníženy třikrát.

Použitá topologie se příliš neliší od obvodu svařovacího stroje. Střídavé síťové napětí je usměrněno pro použití střídačem a malým pomocným napájecím zdrojem regulátoru. Invertor generuje proud v měděné cívce, čímž vytváří elektromagnetické pole, které indukuje vířivé proudy v pánvi. Množství generovaného tepla se rovná elektrickému odporu dna pánve vynásobenému druhou mocninou indukovaného proudu – v souladu s „Jouleovým zákonem“.

Na rozdíl od svařovacích strojů řídicí obvod indukčních sporáků často využívá frekvenční řízení. Ačkoli je tento přístup jednoduchý, problém spočívá v rozsahu frekvencí potřebných k řízení výstupního výkonu v širokém rozsahu.

Rezonanční měniče mohou pracovat s vysokou účinností i při vysokých frekvencích požadovaných pro indukční pece. Proto se v takových aplikacích běžně používají měniče založené na rezonančních obvodech, zejména rezonanční polomůstkové měniče a kvazirezonanční měniče (obrázek 6). Rezonanční polomůstkové měniče jsou ceněny zejména kvůli širokému rozsahu zatížení, které zvládnou. K minimalizaci ztrát energie se často používají moderní řídicí techniky, jako je přepínání nulového proudu nebo přepínání nulového napětí.

Obrázek 6.

Typické příklady rezonančních polomůstkových a kvazirezonančních topologií.

Kvazi-rezonanční měniče se často používají v indukčních vařičích s nízkým výkonem (špičkový výkon nižší než 2 W) kvůli nízkým nákladům na tuto topologii.

Solární invertor a UPS

Použití topologie polovičního můstku v aplikacích vyžadujících vysoké spínací frekvence představuje řadu problémů, včetně:

• Jsou možná pouze dvě výstupní napětí
• Spínací ztráty mohou být značné
• Ovládání závěrky může být složité
• Velké zatížení komponent ovlivňuje spolehlivost
• Zvýšené zvlnění proudu a elektromagnetické záření vyžadují seriózní filtraci
• Nekompatibilní se sběrnicí HVDC
• Tepelný design je netriviální úkol

V moderních aplikacích jsou topologie polovičních můstků nahrazovány v klíčových aplikacích, jako jsou zdroje nepřerušitelného napájení a solární fotovoltaické střídače. Dominantními se stávají tříúrovňové topologie známé jako I-Type a T-Type (obrázek 7).

Obrázek 7.

Tříúrovňové topologie převodníků I-Type a T-Type mají oproti polovičním můstkům řadu výhod topologie.

Existuje mnoho oblastí pro zlepšení, včetně snížení napětí na aktivních součástkách, což snižuje ztráty, snižuje harmonické zkreslení a umožňuje použití menších součástek. Nejdůležitější je, že tyto topologie mohou výrazně snížit ztráty při přepínání a poskytují účinnost dosahující 98 % při vysokých pracovních frekvencích od 16 do 40 kHz.

Pohled do budoucnosti.

Ačkoli je některými považována za „starou“ technologii, IGBT nadále hraje důležitou roli ve vysokovýkonových (vysokonapěťových/vysokoproudých) aplikacích. Technologie IGBT se neustále vyvíjí, hodnoty saturačního napětí se blíží 1 V a vylepšené konstrukce zvyšují hustotu výkonu a snižují ztráty.

Jako vždy musí návrháři při práci s IGBT plně porozumět požadavkům aplikace a vybrat vhodnou topologii, která poskytuje nejlepší výsledky a výkon.

Překlad: AlexAAN na objednávku RadioLotsman