Vše, co potřebujete vědět o používání IGBT

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

Hlavní součástí moderního svařovacího stroje je invertor. Na základě základny prvků používané v takových zařízeních se dělí na dva typy: IGBT a MOSFET. Každý z nich má své výhody a nevýhody, jinak by se střídače obou typů nevyráběly. Na internetu se neustále vedou diskuse o tom, který z nich je lepší. Podívejme se na tuto problematiku objektivně.

Na vstupu invertorové svářečky je usměrňovač, který přeměňuje střídavý proud o frekvenci 50 Hz na stejnosměrný proud. Dále se dostává do práce tzv. invertor, který převádí stejnosměrný proud na střídavý, ale o vyšší frekvenci. Děje se tak především proto, aby byl transformátor, který snižuje napětí a současně zvyšuje maximální proud v zátěži, co nejlehčí a nejkompaktnější. Z tohoto pohledu platí, že čím vyšší frekvence, tím lépe. Dalším důvodem je, že u některých typů svařování je kvalita svaru nejlepší při svařování střídavým proudem o vysoké frekvenci (obvykle 20 až 50 kHz). V praxi však pracovní frekvence svařovacích invertorů nepřesahuje 65 kHz. Při použití vyšší frekvence bude zisk ze snížení hmotnosti a rozměrů transformátoru nevýznamný, ale vzniknou další problémy s konstrukcí zařízení.

U svařovacích invertorů pracují polovodičová zařízení obvykle v klíčovém režimu. To znamená, že v ideálním případě by v zavřeném stavu neměl zařízením protékat žádný proud. A v otevřeném stavu proudí zařízením volně, přičemž úbytek napětí na svorkách elektronického spínače by měl být ideálně nulový. Pak se na polovodičové součástce nerozptýlí energie a nezahřívá se.

Ve skutečnosti se polovodičové zařízení přepne z otevřeného do uzavřeného stavu v konečném časovém období. Během přechodového procesu se jak napětí na jeho svorkách, tak proud, který jím protéká, liší od nulových hodnot, což vede ke ztrátě výkonu. Čím rychleji se zařízení přepne z jednoho stavu do druhého, tím méně se zahřívá a tím vyšší je účinnost střídače.

Ztráty spojené se svodovými proudy v polovodičových spínačích v sepnutém stavu, jak jsou aplikovány na svařovací invertory, jsou zanedbatelně malé vzhledem ke ztrátám v důsledku rozdílu od nuly v napětí na svorkách v otevřeném stavu. Proto se v tomto případě při porovnávání základny prvků neuvažuje součinitel úniku.
Obecně lze invertor postavit na jednom z následujících typů polovodičových součástek: tyristory, bipolární tranzistory, MOSFET, IGBT.

Tyristory

První elektronické střídače byly postaveny právě na tomto základu prvků. Nevýhodou takových měničů byla jejich objemnost a relativně malá spolehlivost. V současné době jsou tyristorové měniče považovány za zastaralé řešení, nové modely svařovacích strojů, které je využívají, se nevyvíjejí.

Bipolární tranzistory

Proud tekoucí mezi emitorem a kolektorem v těchto zařízeních je řízen proudem tekoucím mezi emitorem a základnou. Poměr proudu emitor-kolektor k proudu emitoru-báze se označuje jako h21_э.

U bipolárních tranzistorů s nízkým výkonem může h21e dosáhnout 1000. Ale u výkonných bipolárních tranzistorů je h21e obvykle malý – od 10 do 30. To je první nevýhoda bipolárního tranzistoru. Pokud spínáme proud cca 30 A (reálná situace u měniče), pak by měl být řídící proud větší než 1 A.

To znamená, že pro ovládání výkonného tranzistoru budete muset použít proudový zesilovač, což komplikuje konstrukci a snižuje jeho účinnost.

V plně otevřeném stavu je bipolární tranzistor v saturačním režimu, kdy je napětí mezi emitorem a kolektorem stabilní hodnoty U_nás (je to asi 0,3–0,5 V), nezávisle na proudu I, který mezi nimi protéká_ke. S rostoucí teplotou U_nás mírně klesá.

Ztráty výkonu způsobené ztrátou tepla v bipolárním tranzistoru v saturačním režimu se rovnají:

To je u bipolárního tranzistoru je ztráta výkonu v otevřeném stavu úměrná proudu, který jím protéká. Jak uvidíme později, je to výhoda pro svařovací invertory.

Vše je ale kompenzováno druhou nevýhodou vysoce výkonných bipolárních tranzistorů – mají velmi dlouhou dobu na opuštění saturačního režimu. Proto jsou měniče pracující na průmyslové proudové frekvenci (50 nebo 60 Hz) postaveny převážně na bipolárních tranzistorech. Ale pro svařovací invertory jejich rychlost nestačí.

MOSFET

U tranzistorů s efektem pole se nosiče náboje pohybují od zdroje k odvodu. Mezi těmito terminály je kanál. Jeho odpor je řízen elektrickým polem aplikovaným na bránu. Ve skutečnosti je tento typ tranzistoru nazýván tranzistor s efektem pole právě proto, že řízení je prováděno elektrickým polem a nikoli proudem.

Moderní tranzistory s efektem pole mají bránu oddělenou od kanálu tenkou vrstvou dielektrika (obvykle oxid křemičitý).

Tato struktura se nazývá MOSFET, což je zkratka pro Metal-Oxyde-Semiconductor Field Effect Transistor. V ruštině existuje podobný termín „MOS tranzistor“ (MOS znamená „Metal-Oxide-Semiconductor“), který používal několik generací sovětských inženýrů. Bohužel je nyní v technické dokumentaci téměř zcela nahrazen pojmem MOSFET, a to i v případě domácích svařovacích strojů. Proto od této chvíle, abychom se vyhnuli zmatkům, budeme používat nejběžnější pravopis.

V MOSFETu neprotéká hradlem prakticky žádný proud (ve skutečnosti má hradlo kapacitu a stále přes něj protéká střídavý proud, ale jeho síla je o několik řádů nižší než u proudu báze v bipolárním tranzistoru). To je důležitá výhoda, protože není potřeba budovat výkonné řídicí obvody pro spínání proudů desítek ampér.

Otevřený stav MOSFET také odpovídá režimu saturace. Ale na rozdíl od bipolárního tranzistoru je opuštění tohoto režimu mnohem rychlejší. To umožňuje stavět měniče na bázi MOSFET s pracovní frekvencí desítek až stovek kHz.

Uvedené výhody vedly k tomu, že značná část moderních svařovacích invertorů je vyráběna na bázi MOSFET. MOSFETy však mají také nevýhody, které jsou kritické z hlediska použití ve svařovacích zařízeních. Navíc tyto nedostatky souvisí s fyzikálním principem činnosti těchto zařízení.

Režim saturace MOSFETu je charakterizován dosažením minimální možné hodnoty odporu kanálu Rsat, který dále neklesá s rostoucím napětím aplikovaným na hradlo.

Ztráty výkonu způsobené rozptylem tepla v MOSFET v saturačním režimu jsou:

kde ty_nás — napětí zdroj-odvod v saturačním režimu, I_je — proud protékající tranzistorem.

Z toho plyne důležitý závěr: ztráty výkonu v MOSFETu v zapnutém stavu jsou úměrné druhé mocnině proudu, který jím protéká. Dalším problémem je, že čím vyšší je teplota tranzistoru, tím vyšší je odpor kanálu v saturačním režimu. To může vést k situaci, kdy přehřátí tranzistoru způsobí zvýšení výkonových ztrát, které jej ještě více zahřejí atd., až polovodičová součástka zcela selže.

Proto se u svařovacích invertorů na bázi MOSFET používá paralelní zapojení tranzistorů v každém rameni – až 8 kusů. Tím se sníží odpor spínače v rozepnutém stavu a také se sníží zahřívání jednotlivého tranzistoru. Kromě toho se používají výkonné chladicí systémy.

V budoucnu se MOSFETy na bázi karbidu křemíku (SiC) mohou stát slibnou základnou prvků pro konstrukci svařovacích invertorů. Ale zatím, navzdory vývoji tohoto směru, SiC tranzistory nenašly uplatnění ve svařovacích strojích. Možnými důvody jsou vysoká cena a složitější obvody řídicí jednotky než u běžných MOSFETů.

IGBT

Výhody bipolárních tranzistorů a MOSFETů byly zkombinovány v modernějším typu tranzistoru zvaného IGBT. Tato zkratka je odvozena z anglických slov Isolated Gate Bipolar Transistor. Tento termín se překládá jako „Bipolární tranzistor s izolovanou bránou“. Odpovídající zkratka BTIZ je známá, ale v technické dokumentaci se ještě neujala.

IGBT má emitor, kolektor a řídicí terminál nazývaný brána. Stejně jako MOSFET je IGBT řízen elektrickým polem. Ale v saturačním režimu jeho vlastnosti odpovídají bipolárnímu tranzistoru. Také saturační napětí je slabě závislé na teplotě, takže IGBT jsou odolné vůči přehřátí.

Výkonové ztráty v IGBT v zapnutém stavu se řídí stejným vzorcem (1). Pouze saturační napětí je vyšší než u bipolárního tranzistoru – je 1-2 V. Přesto není v tomto případě potřeba zapojovat tranzistory paralelně, aby se snížily ztráty.

IGBT je srovnatelný s MOSFET, pokud jde o rychlost opuštění režimu saturace, i když je v tomto parametru o něco horší. To umožňuje na jejich základě postavit svařovací invertory pracující na frekvencích řádově desítek kHz.

Srovnání IGBT a MOSFET

Výsledkem je, že svařovací stroj na bázi MOSFET je obvykle větší a těžší než zařízení na bázi IGBT s podobnou funkčností a specifikacemi. Ale jsou-li všechny ostatní věci stejné, svařovací stroj na MOSFET je levnější než svařovací stroj na IGBT, i když cenový rozdíl se rychle zmenšuje.

Zastánci MOSFET zdůrazňují, že tato technologie je spolehlivější, protože byla ověřena po desetiletí, zatímco IGBT se rozšířily až v roce 2000. Kde je však použit jeden IGBT, je nutné použít až 8 MOSFETů zapojených paralelně. Méně komponentů znamená vyšší spolehlivost. Argument o vyšší spolehlivosti MOSFETů tedy není pravdivý.

Další mylnou představou je, že IGBT je pouze pro profesionální použití, kdežto pro domácího kutila MOSFET zcela postačuje. Ve skutečnosti je vše přesně naopak. Svařovací stroje na bázi IGBT se používají mnohem snadněji. Například kvůli přehřátí často spouštějí zařízení na bázi MOSFET ochranu, když se zařízení vypne v tu nejnevhodnější chvíli. Zkušený profesionální svářeč ví, jak se z této situace „vymanit“, ale domácí kutil nebo dokonce elektrikář, který svařování občas při své práci používá, ne. Malá velikost svářečky je kritičtější pro ty, kteří ji používají doma nebo v garáži, a ne ve speciálně vybavené tovární dílně.

Zařízení založená na MOSFET však mají oproti IGBT stále jednu výhodu: lze je snadněji opravit, pokud se provádějí mimo autorizované servisní středisko. V Rusku je rozvinutý trh s použitými svařovacími stroji. Navíc díky sankcím uvaleným západními společnostmi je možné dovážet svářečky do země přes kanály, které neposkytují autorizovaný servis.

MOSFETy se v měničích používají především jako samostatné komponenty. To vám umožní v případě potřeby snadno najít náhradní tranzistor. V invertorech se IGBT obvykle používají jako součást modulů. Jeden takový modul může obsahovat několik tranzistorů a také diody (méně často jiné součástky). Najít náhradu za takový modul je mnohem obtížnější než za samostatný tranzistor. Navíc bychom neměli podceňovat personální problém. Každý elektronik ví, jak pracovat s MOSFET. Specialisté na aplikaci IGBT jsou však stále mnohem méně běžní. Není pravda, že pokud je potřeba opravit svářečku neznámého původu, takový specialista se rychle najde.

Z toho můžeme vyvodit následující závěr. Pokud kupujete nový svařovací stroj od renomované společnosti, která má zastoupení v Rusku (nebo je ruským výrobcem), musí být střídač IGBT, žádné možnosti! Nejvýraznějším příkladem jsou produkty ANDELI GROUP, o kterých jsme psali v tomto čísle časopisu. Pokud však bylo zařízení propuštěno již dávno, existují pochybnosti o dostupnosti náhradních dílů pro něj a možnosti opravy v autorizovaném středisku (současně musí takové zařízení splňovat bezpečnostní normy přijaté v Rusku, jinak je nepřijatelné jej používat), pak bude MOSFET se všemi jeho nedostatky přijatelnou možností.

Zdroj: Alexey DUBNEVSKY, publikovaný v časopise „Elektrotechnický trh č. 4-5 (112-113) 2023

Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki