本文作者：安森美產品線經理 Jinchang Zhou

最近，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶半導體的應用日益增多，受到廣泛關注。然而，在這些新技術出現之前，許多高功率應用都是使用高效、可靠的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，事實上，許多此類應用仍然適合繼續使用 IGBT。在本文中，我們介紹 IGBT 器件的結構和運行，并列舉多種不同 IGBT 應用的電路拓撲結構，然后探討這種多用途可靠技術的新興拓撲結構。

簡而言之，IGBT 是由 4 個交替層 (P-N-P-N) 組成的功率半導體晶體管，通過施加于金屬氧化物半導體 (MOS) 柵極的電壓進行控制。這一基本結構經過逐漸調整和優化后，可降低開關損耗，且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 將溝槽柵與場截止結構相結合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行為。該方法有助于降低器件的飽和電壓和導通電阻，從而提升整體功率密度。

圖 1：溝槽場截止 IGBT 結構

如今，IGBT 通常用于特定應用的拓撲結構，下面列舉了其中的幾種。

如今許多焊接機使用逆變器，而非傳統的焊接變壓器，因為直流輸出電流可以提高焊接過程的控制精度。使用逆變器還有其他優勢，比如直流電流比交流電流安全，而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。功率級（單相或三相）將交流輸入電壓轉換為逆變器的直流母線電壓。輸出電壓通常為 30 V，但一旦啟動焊弧，在開路負載操作幾乎低至 0 V 的情況下（短路條件），輸出電壓可能高達 60 V DC。

圖 2：焊接機框圖

焊接逆變器中常用的拓撲結構包括全橋、半橋和雙管正激，而恒定電流是最常用的控制方案。占空比因負載電平和輸出電壓而異。全橋和半橋拓撲結構的 IGBT 開關頻率通常在 20 至 50 kHz 之間。

圖 3：全橋、半橋和雙管正激拓撲結構

電磁爐的原理是，當高磁導率材質的鍋靠近線圈時，通過勵磁線圈推動（或耦合）鍋內的電流循環。其運行方式與變壓器大致相同，其中線圈負責初級側，電磁爐底部負責次級側。產生的大部分熱量來源于鍋底層形成的渦電流循環。這些系統的能量傳輸效率約為 90%，而頂部光滑的無感電器裝置的能效僅為 71%，相比之下，（對于同量熱傳遞）前者可節省大約 20% 的能量。逆變器將電流導入銅線圈，從而產生電磁場，電磁場穿透鍋底，形成電流。產生的熱量遵循焦耳效應公式，即鍋的電阻乘以感應電流的平方。

圖 4：電磁爐框圖

對于電磁爐，比較重要的要求包括：

• 高頻開關

• 功率因數接近一

• 寬負載范圍

感應加熱應用的輸出功率控制通常基于可變頻率方案。這是一種根據負載或線路頻率變化來應用的基本方法。然而，該方法存在一個主要缺點：若要在寬范圍內控制輸出功率，頻率需要大幅變化。

感應加熱最常用的拓撲結構基于諧振回路。諧振轉換器的主要優勢是高開關頻率范圍，同時能效不會降低。諧振轉換器采用零電流開關 (ZCS) 或零電壓開關 (ZVS) 等控制技術來降低功率損耗。諧振半橋 (RHB) 轉換器和準諧振 (QR) 逆變器是備受歡迎的拓撲結構。RHB 結構的優勢包括負載工作范圍大，并且能夠提供超高功率。

圖 5：RHB 和 QR 拓撲結構

QR 轉換器的主要優勢是成本較低，因此非常適合低至中功率范圍（峰值功率高達 2 kW）、工作頻率介于 20 至 35 kHz 之間的應用。

半橋轉換器 (HB) 是電機驅動應用中一種最常見的拓撲結構，頻率介于 2kHz 至 15kHz 之間。HB 輸出電壓取決于開關狀態和電流極性。

圖 6：半橋拓撲結構顯示正輸出電流和負輸出電流

考慮到電感負載，電流隨后會增加。如果負載汲取正電流 (I_g>0)，它將流經 T1，為負載提供能量 (V_g)。相反，如果負載電流 I_g 為負，電流經由 D 流回，將能量返回至直流電源。同樣，如果 T4 開通（且 T1 關閉），會有 ?V_bus/2 的電壓施加于負載，且電流會減小。如果 I_g 為正，電流流經 D4，將能量返回至母線電源。

快速開關給 HB 拓撲結構帶來的局限性包括：

• 只有兩個輸出電壓等級

• 無源和有源元件受到應力

• 高開關損耗

• 柵極驅動難度加大

• 紋波電流升高

• EMI變高

• 電壓處理（無法與高電壓母線結合使用）

• 器件串聯增加了實施工作的復雜性

• 難以達到熱平衡

• 高濾波要求

為了擺脫這些局限性，在不間斷電源 (UPS) 和太陽能逆變器等應用中，采用新的多電壓等級拓撲結構。常見結構包括單極性開關 I 型和 T 型轉換器，它們能夠在較高的母線電壓下工作。隨著可用輸出狀態增多，濾波器元件之間的電壓相應減小，因此濾波損耗也更低，元件更小。開關損耗有所降低，而導通損耗則小幅增加（適合 16kHz - 40kHz 的較高頻率，可達到約 98% 的高能效）。

圖 7：I 型和 T 型轉換器拓撲結構

盡管 IGBT 已經問世很多年，但該技術仍是許多高電壓和電流應用的理想之選。IGBT 不僅越來越多地應用于傳統設計，還應用于新設計，因為新推出的器件在不斷地推動 Vcesat 降低至 1V，并通過新型結構來提高電流密度和開關損耗。若要在使用 IGBT 的過程中獲得最大效益，一個關鍵因素是先了解應用要求，然后選擇合適的電路拓撲結構加以實施。

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