【導讀】最近，碳化矽 (SiC) 和氮化镓 (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

，並列舉多種不同 IGBT 應用的電路拓撲結構，然後探討這種多用途可靠技術的新興拓撲結構。

IGBT 器件結構

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，通過施加於金屬氧化物半導體 (MOS) 柵極的電壓進行控製。這一基本結構經過逐漸調整和優化後

，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，旨在抑製固有的寄生 NPN 行為。該方法有助於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

應用與拓撲結構

01 焊接機

如ru今jin許xu多duo焊han接jie機ji使shi用yong逆ni變bian器qi，而er非fei傳chuan統tong的de焊han接jie變bian壓ya器qi，因yin為wei直zhi流liu輸shu出chu電dian流liu可ke以yi提ti高gao焊han接jie過guo程cheng的de控kong製zhi精jing度du。使shi用yong逆ni變bian器qi還hai有you其qi他ta優you勢shi

，比bi如ru直zhi流liu電dian流liu比bi交jiao流liu電dian流liu安an全quan

，而er且qie采cai用yong逆ni變bian器qi的de焊han接jie機ji具ju有you更geng高gao的de功gong率lv密mi度du，因yin此ci重zhong量liang更geng輕qing。功gong率lv級ji（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製方案。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

02 電磁爐

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guo內nei的de電dian流liu循xun環huan。其qi運yun行xing方fang式shi與yu變bian壓ya器qi大da致zhi相xiang同tong，其qi中zhong線xian圈quan負fu責ze初chu級ji側ce，電dian磁ci爐lu底di部bu負fu責ze次ci級ji側ce。產chan生sheng的de大da部bu分fen熱re量liang來lai源yuan於yu鍋guo底di層ceng形xing成cheng的de渦wo電dian流liu循xun環huan。這zhe些xie係xi統tong的de能neng量liang傳chuan輸shu效xiao率lv約yue為wei 90%
，而頂部光滑的無感電器裝置的能效僅為 71%，相比之下，（對於同量熱傳遞）前者可節省大約 20% 的(de)能(neng)量(liang)。逆(ni)變(bian)器(qi)將(jiang)電(dian)流(liu)導(dao)入(ru)銅(tong)線(xian)圈(quan)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)場(chang)，電(dian)磁(ci)場(chang)穿(chuan)透(tou)鍋(guo)底(di)，形(xing)成(cheng)電(dian)流(liu)。產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)遵(zun)循(xun)焦(jiao)耳(er)效(xiao)應(ying)公(gong)式(shi)
，即(ji)鍋(guo)的(de)電(dian)阻(zu)乘(cheng)以(yi)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)的(de)平(ping)方(fang)。

圖 4：電磁爐框圖

對於電磁爐
，比較重要的要求包括：

●   高頻開關

●   功率因數接近一

●   寬負載範圍

感gan應ying加jia熱re應ying用yong的de輸shu出chu功gong率lv控kong製zhi通tong常chang基ji於yu可ke變bian頻pin率lv方fang案an。這zhe是shi一yi種zhong根gen據ju負fu載zai或huo線xian路lu頻pin率lv變bian化hua來lai應ying用yong的de基ji本ben方fang法fa。然ran而er，該gai方fang法fa存cun在zai一yi個ge主zhu要yao缺que點dian：若要在寬範圍內控製輸出功率，頻率需要大幅變化。

感應加熱最常用的拓撲結構基於諧振回路。諧振轉換器的主要優勢是高開關頻率範圍，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) 等控製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範圍大，並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範圍（峰值功率高達 2 kW）、工作頻率介於 20 至 35 kHz 之間的應用。

03 電機驅動

半橋轉換器 (HB) 是電機驅動應用中一種最常見的拓撲結構，頻率介於 2kHz 至 15kHz 之間。HB 輸出電壓取決於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
，電流隨後會增加。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 的電壓施加於負載，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。

適合IGBT應用的多電壓等級拓撲結構

快速開關給 HB 拓撲結構帶來的局限性包括：

●   隻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複雜性

●   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(xing)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，它(ta)們(men)能(neng)夠(gou)在(zai)較(jiao)高(gao)的(de)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)下(xia)工(gong)作(zuo)。隨(sui)著(zhe)可(ke)用(yong)輸(shu)出(chu)狀(zhuang)態(tai)增(zeng)多(duo)
，濾(lv)波(bo)器(qi)元(yuan)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)相(xiang)應(ying)減(jian)小(xiao)
，因(yin)此(ci)濾(lv)波(bo)損(sun)耗(hao)也(ye)更(geng)低(di)
，元(yuan)件(jian)更(geng)小(xiao)。開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)有(you)所(suo)降(jiang)低(di)，而(er)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)則(ze)小(xiao)幅(fu)增(zeng)加(jia)（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

IGBT 的未來

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於傳統設計，還應用於新設計
，因為新推出的器件在不斷地推動 Vcesat 降低至 1V，並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，然後選擇合適的電路拓撲結構加以實施。

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