česky english Vítejte, dnes je sobota 18. květen 2024

Tranzistory IGBT: kdy, kde a také jak je správně použít

07.09. 2023 | Články
Autor: Jinchang Zhou, onsemi
01.jpg

Poslední dobou se věnuje značná pozornost rostoucímu počtu aplikací pro polovodiče se širokým zakázaným pásem, jako je karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN). Dříve než přišly tyto nové technologie, se však v mnoha výkonových aplikací spolehlivě a také efektivně využívaly bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT) a pro řadu z nich má vlastně smysl používat je stále i dnes. V článku zmíníme strukturu a také činnost součástek IGBT a budeme se věnovat i topologiím obvodů pro několik různých aplikací právě s tranzistory IGBT. Pro zmíněnou všestrannou a také spolehlivou technologii rovněž probereme nově vznikající topologie.

Struktura prvků IGBT

IGBT je ve své nejjednodušší podobě výkonový polovodičový tranzistor, který se skládá ze čtyř střídajících se vrstev (P-N-P-N) a lze jej ovládat napětím přivedeným na hradlo MOS (metal-oxide-semiconductor). Základní struktura se v průběhu času adaptovala a dále zlepšovala s cílem snižovat ztráty při spínání a zajistit i drobnější fyzické provedení. Moderní tranzistory IGBT využívají k potlačení souvisejícího parazitního vlivu NPN kombinovanou strukturu TGFS (trench gate field-stop). Lze tak snížit saturační napětí a odpor součástky v sepnutém stavu, a tedy zlepšovat i celkovou hustotu výkonu.


Obr. 1  Struktura tranzistoru IGBT (trench gate field-stop)

Aplikace a topologie

Tranzistory IGBT se v současné době obvykle vyskytují v konkrétních topologiích. Pojďme se nyní na některé z nich blíže podívat.

Svářečky

Mnoho moderních svářeček místo klasického transformátoru používá invertor. Svářecí proces lze totiž díky DC výstupnímu proudu řídit s vyšší přesností. Další výhodou takového řešení je větší bezpečnost DC proudů oproti jejich střídavým protějškům a také lehčí provedení svářečky odpovídající rostoucí hustotě výkonu. Výkonový stupeň (jedno- nebo i trojfázový) transformuje AC vstupní napětí na DC napětí pro invertor. Výstupní napětí zde obvykle činí 30 V, ale může bez zatížení dosahovat klidně až 60 VDC, resp. skoro až 0 V (zkrat), tady zase při spuštění.


Obr. 2  Blokový diagram svářečky

Obvykle používané topologie v případě svářecích invertorů zahrnují plný můstek, poloviční můstek a také technologii „double-switch forward“, přičemž k řízení se nejčastěji využije konstantního proudu. Střída se mění v závislosti na míře zatížení a výstupním napětí. Spínací kmitočet IGBT bude v případě topologií s plným a polovičním můstkem zpravidla mezi 20 až 50 kHz.


Obr. 3  Topologie Full-Bridge, Half-Bridge a Double-Switch Forward

Indukční vaření

Vaření na indukčním sporáku je založeno na principu buzení cívky tak, abychom si vynutili (nebo i navázali) cirkulaci proudu v hrnci vyrobeném z materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou, a to v těsné blízkosti takové cívky. Činnost lze zjednodušeně přirovnat k transformátoru, kde cívka představuje primární stranu a spodek poté stranu sekundární. Většinu tepla zde přitom generují vířivé proudy na dně hrnce. K přenosu energie u těchto systémů dochází s účinností přibližně 90 %, což představuje (při shodném přenosu tepla) zhruba dvacetiprocentní úsporu energie, budeme-li srovnávat s účinností 71 % u elektrického zařízení bez indukce. Díky invertoru protékají měděnou cívkou proudy, což dále generuje elektromagnetické pole, které proniká dnem hrnce a proudy vytváří i zde. Vyráběné teplo plyne z Jouleova zákona, přičemž ve vzorci to znamená elektrický odpor hrnce násobený čtvercem indukovaného proudu.


Obr. 4  Blokový diagram indukční varné desky

Mezi nejdůležitější požadavky, kladené na indukční desky, poté řadíme

  • spínání s vysokým kmitočtem,
  • účiník blízký jedné,
  • zatěžování v širokém rozsahu.

Řízení výstupního výkonu vychází v oblasti indukčního ohřevu obvykle z proměnného kmitočtu. Jedná se tak o základní metodu používanou proti změně zátěže či síťového kmitočtu. Hlavním nedostatkem však bude obrovská změna frekvence, kterou potřebujeme k řízení výstupního výkonu v širokém rozsahu.

Nejběžnější topologie používané při indukčním ohřevu jsou založeny na rezonančním obvodu. Hlavní výhodou rezonančních měničů bude jejich velký rozsah spínacího kmitočtu, na kterém dokážou pracovat, aniž by přitom ohrozily dosahovanou účinnost. K omezení výkonových ztrát u rezonančních měničů lze použít způsoby řízení, jako jsou ZCS (zero current switching) nebo ZVS (zero voltage switching). Mezi nejoblíbenější topologie zde řadíme RHB měniče (resonant half-bridge) a kvazirezonanční (QR) invertor. Výhoda systémů RHB spočívá ve velkém zatěžovacím rozsahu a schopnosti dodat maximální výkon.


Obr. 5  Topologie RHB a QR

Hlavní přednost QR měniče spočívá v jeho nižší ceně, takže se bude hodit pro nízké až střední výkony (špičkový výkon až 2 kW) s kmitočtem v rozsahu 20 až 35 kHz.

Motory

Měnič s polovičním můstkem (HB) patří v oblasti řízení motorů s kmitočtovým rozsahem 2 kHz až 15 kHz k nejoblíbenějším topologiím. Výstupní napětí HB závisí na spínacím stavu a polaritě proudu.


Obr. 6  Topologie Half-Bridge s vyznačenými průtoky výstupního proudu, kladně a také záporně

Pokud uvážíme indukční zátěž, bude se proud zvyšovat až dodatečně. Teče-li zátěží kladný proud (Ig > 0), prochází přes tranzistor T1 a dodává pak energii do zátěže (Vg). V opačném případě, když je zatěžovací proud Ig záporný, protéká proud zpátky přes diodu a energie se vrací DC zdroji. Jestliže je podobně tranzistor T4 zapnutý (a T1 vypnutý), použije se na zátěži napětí -Vbus/2 a proud se snižuje. Bude-li Ig kladný, proud teče diodou D4 a energie se navrací zdroji.

Topologie pro aplikace s IGBT a více napěťovými úrovněmi

K omezením systému polovičního můstku HB kvůli rychlému spínání patří

  • pouze dvě úrovně výstupního napětí,
  • namáhání pasivních a také aktivních součástek,
  • vysoké ztráty při spínání,
  • buzení hradla je obtížnější,
  • vyšší proudové zvlnění,
  • rostoucí elektromagnetické interference EMI,
  • zacházení s napětím (nelze totiž pracovat s vysokonapěťovým rozvodem),
  • součástky zapojené do série znamenají při realizaci komplikace,
  • složitě se dosahuje tepelné rovnováhy,
  • také zde máme vysoké požadavky na filtraci.

Abychom se s výše zmíněnými omezeními dokázali vypořádat, lze v aplikacích, jako jsou záložní zdroje UPS a střídače pro fotovoltaické systémy, použít nové topologie s více napěťovými úrovněmi. Většinu obvyklých struktur zde tvoří unipolární spínané měniče typu I a také T, které dokážou pracovat s vyšším napětím. Díky většímu počtu stavů na výstupu, které zde máme k dispozici, je i nižší napětí na filtračních prvcích, což nakonec u filtru vede k menším ztrátám a také menším součástkám. Snižují se rovněž spínací ztráty, zatímco ztráty při vedení proudu se nepatrně zvyšují (je to vhodné pro vyšší kmitočty 16 kHz až 40 kHz s ohromnou účinností ~98 %).


Obr. 7  Způsob řešení měničů typu I a typu T

Budoucnost tranzistorů IGBT

I když zde máme tranzistory IGBT k dipozici po mnoho let, je tato technologie stále skvělou volbou pro celou řadu aplikací s vyšším napětím a také proudy. Nasazení tranzistorů IGBT se však netýká pouze tradičního návrhu, ale zahrnuje rovněž i nová řešení. Důvodem je skutečnost, že modernější prvky nepřestávají tlačit na snižování VCEsat k 1 V a také tu existují neotřelé struktury, se kterými lze zvyšovat hustotu proudu a řešit i spínací ztráty. Abychom však mohli maximální možnou měrou využít výhod tranzistorů IGBT, je nezbytné porozumět požadavkům konkrétní aplikace a vybrat pro ně správnou topologii obvodu, se kterou takových výsledků nakonec i dosáhneme.

www.onsemi.com