ໃນໂລກຂອງເອເລັກໂຕຣນິກພະລັງງານທີ່ທັນສະໄຫມ, ປະສິດທິພາບ, ການຄວບຄຸມ, ແລະຄວາມຫນ້າເຊື່ອຖືແມ່ນສໍາຄັນ. ຈາກຍານພາຫະນະໄຟຟ້າໄປສູ່ອັດຕະໂນມັດອຸດສາຫະກໍາ, ລະບົບພະລັງງານທົດແທນໄປສູ່ເຄື່ອງບໍລິໂພກ, ການຄຸ້ມຄອງພະລັງງານທີ່ມີປະສິດທິພາບກໍານົດຜົນສໍາເລັດຂອງລະບົບເອເລັກໂຕຣນິກ. ຫົວໃຈຂອງການຄວບຄຸມພະລັງງານນີ້ແມ່ນອຸປະກອນ semiconductor ພື້ນຖານ: Insulated Gate Bipolar Transistor, ຫຼື IGBT. ໃນຂະນະທີ່ບໍ່ແມ່ນໃຫມ່, IGBTs ສືບຕໍ່ພັດທະນາແລະຄອບງໍາຄໍາຮ້ອງສະຫມັກທີ່ພະລັງງານສູງແລະການສະຫຼັບປະສິດທິພາບເປັນສິ່ງຈໍາເປັນ.
ຂົວລະຫວ່າງສອງເຕັກໂນໂລຢີ
ໄດ້ IGBT ມັກຈະຖືກອະທິບາຍວ່າເປັນການປະສົມຂອງສອງເທກໂນໂລຍີ transistor: MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) ແລະ BJT (Bipolar Junction Transistor). MOSFETs ເປັນທີ່ຮູ້ຈັກສໍາລັບຄວາມໄວສະຫຼັບທີ່ໄວແລະການດໍາເນີນງານທີ່ມີການຄວບຄຸມແຮງດັນ, ໃນຂະນະທີ່ BJTs ມີຄວາມດີເລີດໃນການຈັດການກະແສໄຟຟ້າສູງທີ່ມີແຮງດັນຕ່ໍາໃນລັດຫຼຸດລົງ, ເຖິງແມ່ນວ່າພວກເຂົາຕ້ອງການປະຈຸບັນເພື່ອຂັບ. IGBT ປະສົມປະສານຄວາມງ່າຍດາຍຂອງການຂັບລົດປະຕູຂອງ MOSFET ກັບຄວາມສາມາດໃນການຈັດການໃນປະຈຸບັນຂອງ BJT, ປະກອບເປັນອຸປະກອນສາມປາຍທີ່ຄວບຄຸມແຮງດັນໄຟຟ້າແຕ່ເຫມາະສໍາລັບສະຖານະການທີ່ມີພະລັງງານສູງ.
ຕາມໂຄງສ້າງ, IGBT ຖືກສ້າງຂຶ້ນໃນສະຖາປັດຕະຍະກໍາ semiconductor ສີ່ຊັ້ນ - ໂດຍປົກກະຕິ P+ – N− – P – N+. ອິເລັກໂທຣດປະຕູດ້ານເທິງປະກອບເປັນໂຄງສ້າງ MOSFET ທີ່ຄວບຄຸມຊ່ອງທາງ conductive ລະຫວ່າງ emitter ແລະພາກພື້ນຖານທີ່ຕິດພັນ, ເຊິ່ງເຮັດຫນ້າທີ່ເປັນພື້ນຖານຂອງ transistor PNP parasitic. ກົນໄກການຄວບຄຸມແມ່ນຜ່ານປະຕູ, ແຕ່ເສັ້ນທາງການດໍາເນີນການຕົ້ນຕໍໄດ້ຮັບຜົນປະໂຫຍດຈາກພຶດຕິກໍາການສີດຂອງ BJT. ການຈັດການທີ່ເປັນເອກະລັກນີ້ອະນຸຍາດໃຫ້ IGBT ເປີດດ້ວຍການຂັບລົດປະຕູຫນ້ອຍທີ່ສຸດໃນຂະນະທີ່ຍັງບັນລຸການສູນເສຍການດໍາເນີນການຕ່ໍາໃນລະດັບສູງໃນປະຈຸບັນ.
ຫຼັກການປະຕິບັດງານໃນເງື່ອນໄຂການປະຕິບັດ
ເພື່ອເຂົ້າໃຈວິທີການ IGBT ເຮັດວຽກຢູ່ໃນວົງຈອນທີ່ແທ້ຈິງ, ພິຈາລະນາຕົວປ່ຽນພະລັງງານປົກກະຕິໃນລະບົບຂັບເຄື່ອນມໍເຕີໄຟຟ້າ. ໃນລະຫວ່າງການປະຕິບັດງານ, IGBT ຈະເປີດເພື່ອໃຫ້ກະແສໄຟຟ້າໄຫຼຜ່ານ motor windings, ແລະປິດເພື່ອລົບກວນການໄຫຼ, ສ້າງສັນຍານກໍາມະຈອນ modulated (PWM) ຄວາມກວ້າງ (PWM) ທີ່ສັງເຄາະ waveforms AC ຈາກລົດເມ DC.
ເມື່ອແຮງດັນທາງບວກຖືກນໍາໄປໃຊ້ກັບ gate terminal ທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບ emitter, ຊັ້ນ inversion ປະກອບພາຍໃຕ້ການອອກໄຊຂອງປະຕູ, ເຮັດໃຫ້ການໄຫຼຂອງເອເລັກໂຕຣນິກໃນຊ່ອງ MOS. ນີ້ຈະເປີດເສັ້ນທາງສໍາລັບການສີດຂຸມຈາກຕົວເກັບເຂົ້າໄປໃນພື້ນທີ່ drift - ເປັນຂະບວນການປົກກະຕິຂອງອຸປະກອນ bipolar. ການສີດຄ່ານີ້ຫຼຸດລົງຢ່າງຫຼວງຫຼາຍຄວາມຕ້ານທານຂອງພາກພື້ນພຽງການລອຍລົມ, ເຮັດໃຫ້ມີການຫຼຸດລົງຂອງແຮງດັນໄຟຟ້າຕ່ໍາກວ່າ MOSFET ທີ່ປຽບທຽບໄດ້, ໂດຍສະເພາະຢູ່ທີ່ແຮງດັນສູງກວ່າ 400V.
ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ເມື່ອແຮງດັນປະຕູຖືກໂຍກຍ້າຍ, ຊ່ອງທາງປິດ, ແລະອຸປະກອນຈະປິດ. ເນື່ອງຈາກການເກັບຄ່າທີ່ເກັບໄວ້ໃນເຂດ drift (ຈາກການສີດຂຸມກ່ອນຫນ້າ), ມີການຊັກຊ້າທີ່ເອີ້ນວ່າ 'ກະແສຫາງ' ເຊິ່ງສະແດງເຖິງພຶດຕິກໍາການປິດຂອງ IGBT. ກະແສຫາງນີ້ສາມາດນໍາໄປສູ່ການສູນເສຍສະຫຼັບແລະການແຊກແຊງໄຟຟ້າ (EMI) ຖ້າບໍ່ໄດ້ຮັບການຄຸ້ມຄອງຢ່າງຖືກຕ້ອງ. ວິສະວະກອນມັກຈະແກ້ໄຂເລື່ອງນີ້ໂດຍຜ່ານວົງຈອນ snubber, topologies Soft-switching, ຫຼືໂດຍການນໍາໃຊ້ໂຄງສ້າງ IGBT ຂັ້ນສູງເຊັ່ນ Field-Stop ຫຼື Trench variants ທີ່ຫຼຸດຜ່ອນຜົນກະທົບໃນປະຈຸບັນຫາງ.
ການຄ້າແລະການພິຈາລະນາວິສະວະກໍາ
ຫນຶ່ງໃນລັກສະນະທີ່ສໍາຄັນທີ່ສຸດຂອງການເຮັດວຽກກັບ IGBTs ແມ່ນການເຂົ້າໃຈການປະຕິບັດການຄ້າຂອງພວກເຂົາ. ເມື່ອປຽບທຽບກັບ MOSFETs, IGBTs ໂດຍທົ່ວໄປສະຫນອງການສູນເສຍການດໍາເນີນການຕ່ໍາໃນແຮງດັນສູງ, ແຕ່ຄວາມໄວສະຫຼັບຂອງພວກມັນຊ້າກວ່າ, ແລະພວກເຂົາທົນທຸກຈາກກະແສຫາງທີ່ເພີ່ມການສູນເສຍການປິດ. ດັ່ງນັ້ນ, IGBTs ບໍ່ຄ່ອຍຈະຖືກນໍາໃຊ້ໃນຄໍາຮ້ອງສະຫມັກທີ່ມີຄວາມຖີ່ສູງເຊັ່ນ: ການສະຫນອງພະລັງງານສະຫຼັບແບບ (SMPS) ທີ່ເຮັດວຽກສູງກວ່າ 100 kHz. ແທນທີ່ຈະ, ພວກມັນສ່ອງແສງຢູ່ໃນຄວາມຖີ່ຕ່ໍາ, ສະພາບແວດລ້ອມທີ່ມີພະລັງງານສູງ - ໂດຍປົກກະຕິ 1 kHz ຫາ 20 kHz - ບ່ອນທີ່ປະສິດທິພາບຂອງພວກເຂົາໄດ້ຮັບຫຼາຍກ່ວາການປ່ຽນທີ່ຊ້າລົງ.
ການປະຕິບັດຄວາມຮ້ອນແມ່ນປັດໃຈການອອກແບບທີ່ສໍາຄັນອີກອັນຫນຶ່ງ. ເນື່ອງຈາກວ່າ IGBTs ສາມາດບັນຈຸຫຼາຍຮ້ອຍ amperes ແລະຕັນຫລາຍພັນ volts, ພວກເຂົາຕ້ອງ dissipate ຄວາມຮ້ອນທີ່ສໍາຄັນ. ການຄຸ້ມຄອງຄວາມຮ້ອນທີ່ມີປະສິດທິຜົນ—ຜ່ານທໍ່ລະບາຍຄວາມຮ້ອນ, ແອທີ່ບັງຄັບ, ຫຼືແມ່ນແຕ່ການເຮັດໃຫ້ຄວາມເຢັນຂອງແຫຼວໃນໂມດູນພະລັງງານສູງ—ເປັນສິ່ງຈຳເປັນ. ການອອກແບບ Inverter ມັກຈະປະສົມປະສານໂມດູນ IGBT ກັບເຊັນເຊີອຸນຫະພູມແລະວົງຈອນປ້ອງກັນເພື່ອປ້ອງກັນຄວາມຮ້ອນຫຼືຄວາມລົ້ມເຫຼວເນື່ອງຈາກວົງຈອນສັ້ນ.
ຍິ່ງໄປກວ່ານັ້ນ, ໂມດູນ IGBT ທີ່ທັນສະໄຫມມັກຈະປະກອບມີ diodes freewheeling ເຊື່ອມຕໍ່ໃນການຕໍ່ຕ້ານຂະຫນານກັບແຕ່ລະ IGBT. diodes ເຫຼົ່ານີ້ດໍາເນີນການໃນປະຈຸບັນໃນໄລຍະ off-period ຂອງວົງຈອນສະຫຼັບໃນການໂຫຼດ inductive ເຊັ່ນ motors. ພຶດຕິກໍາການຟື້ນຕົວຄືນຂອງພວກເຂົາຍັງຕ້ອງໄດ້ຮັບການພິຈາລະນາໃນສະຖານະການສະຫຼັບຄວາມໄວສູງ, ຍ້ອນວ່າມັນສາມາດສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ປະສິດທິພາບແລະຄວາມກົດດັນຂອງ IGBT ໃນລະຫວ່າງການເປີດ.
ຄໍາຮ້ອງສະຫມັກຂອງໂລກທີ່ແທ້ຈິງແລະການເຊື່ອມໂຍງ
IGBTs ແມ່ນຢູ່ໃນຫຼັກຂອງ motor drives, ໂດຍສະເພາະໃນໄດຄວາມຖີ່ການປ່ຽນແປງ (VFDs) ທີ່ໃຊ້ໃນອັດຕະໂນມັດອຸດສາຫະກໍາ. ພວກເຂົາອະນຸຍາດໃຫ້ຄວບຄຸມຄວາມໄວມໍເຕີແລະແຮງບິດທີ່ຊັດເຈນ, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ການປະຫຍັດພະລັງງານຢ່າງຫຼວງຫຼາຍແລະຊີວິດຂອງອຸປະກອນທີ່ຍາວນານ. ໃນຍານພາຫະນະໄຟຟ້າ, IGBTs ປະກອບເປັນກະດູກສັນຫຼັງສະຫຼັບຂອງ inverters traction, ການຄຸ້ມຄອງການໄຫຼຂອງພະລັງງານຈາກຫມໍ້ໄຟກັບມໍເຕີໄຟຟ້າທີ່ມີປະສິດທິພາບສູງ. Inverter EV ດຽວອາດຈະນໍາໃຊ້ການສະຫຼັບ IGBTs ຫຼາຍສິບກິໂລວັດແລະຫຼາຍພັນ volts.
ໃນພະລັງງານທົດແທນ, ເຊັ່ນ: ລະບົບ photovoltaic ແລະພະລັງງານລົມ, IGBTs ຈັດການການແປງ DC-AC ທີ່ຈໍາເປັນສໍາລັບການເຂົ້າກັນໄດ້ຂອງຕາຂ່າຍໄຟຟ້າ. Inverter ຫຼາຍລະດັບມັກຈະໃຊ້ IGBTs ໃນການຕັ້ງຄ່າແບບ cascade ເພື່ອຫຼຸດຜ່ອນການສູນເສຍການສະຫຼັບແລະປັບປຸງຄຸນນະພາບຂອງຮູບແບບແຮງດັນ. ອຸປະກອນເຫຼົ່ານີ້ຍັງມີຄວາມສໍາຄັນໃນລະບົບສາຍສົ່ງ DC ແຮງດັນສູງ (HVDC), ບ່ອນທີ່ປະສິດທິພາບໃນໄລຍະໄກແມ່ນສໍາຄັນ. ຄວາມຫນ້າເຊື່ອຖື, ຄວາມທົນທານຂອງຄວາມຮ້ອນ, ແລະຄວາມສາມາດໃນການປ່ຽນຂອງ IGBTs ເຮັດໃຫ້ພວກມັນເຫມາະສົມກັບສະພາບແວດລ້ອມທີ່ມີສະເຕກສູງ.
ເຖິງແມ່ນວ່າໃນອຸປະກອນເອເລັກໂຕຣນິກຜູ້ບໍລິໂພກ, IGBTs ເຮັດໃຫ້ເກີດຜົນກະທົບ. ຫມໍ້ຫຸງຕົ້ມ, ເຕົາໄມໂຄເວຟ, ແລະເຄື່ອງອັດ HVAC ໃຊ້ IGBTs ສໍາລັບການຄວບຄຸມພະລັງງານທີ່ມີປະສິດທິພາບແລະຕອບສະຫນອງ. ເຖິງແມ່ນວ່າເຄື່ອງໃຊ້ໄຟຟ້າຕ່ໍາອາດຈະອີງໃສ່ MOSFETs, ແອັບພລິເຄຊັນທີ່ສູງຂຶ້ນໃນປະຈຸບັນໄດ້ຮັບຜົນປະໂຫຍດຈາກປະສິດທິພາບແລະຄວາມງ່າຍດາຍທີ່ IGBTs ສະເຫນີ.
ຄວາມກ້າວຫນ້າທາງດ້ານເຕັກໂນໂລຢີແລະແນວໂນ້ມໃນອະນາຄົດ
evolution ຂອງ ເທກໂນໂລຍີ IGBT ຍັງສືບຕໍ່ແກ້ໄຂຂໍ້ຈໍາກັດແບບດັ້ງເດີມຫຼາຍ. ການພັດທະນາຂອງ Trench IGBTs, ເຊິ່ງນໍາໃຊ້ໂຄງສ້າງປະຕູຕາມແນວຕັ້ງເພື່ອເພີ່ມຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງຊ່ອງທາງແລະຫຼຸດຜ່ອນການສູນເສຍການດໍາເນີນການ, ໄດ້ອະນຸຍາດໃຫ້ມີການຊື້ຂາຍທີ່ດີຂຶ້ນລະຫວ່າງຄວາມໄວຂອງການປ່ຽນແປງແລະປະສິດທິພາບ. Field-Stop IGBTs, ໃນຂະນະດຽວກັນ, ລວມເອົາຊັ້ນ doped ພິເສດທີ່ສະກັດກັ້ນກະແສຫາງແລະເພີ່ມປະສິດທິພາບການສະຫຼັບ.
ນອກຈາກນັ້ນ, ອຸດສາຫະກໍາກໍາລັງກ້າວໄປສູ່ໂມດູນ IGBT ທີ່ປະສົມປະສານຊິບຫຼາຍໆຢ່າງກັບໄດເວີປະຕູ, ເຊັນເຊີອຸນຫະພູມ, ແລະເຫດຜົນປ້ອງກັນເຂົ້າໄປໃນຊຸດຫນາແຫນ້ນດຽວ. ໂມດູນເຫຼົ່ານີ້ຫຼຸດຜ່ອນຄວາມສັບສົນໃນການອອກແບບແລະປັບປຸງຄວາມຫນ້າເຊື່ອຖືຂອງລະບົບໂດຍລວມ.
ນອກຈາກນີ້ຍັງມີການແຂ່ງຂັນທີ່ເພີ່ມຂຶ້ນລະຫວ່າງ IGBTs ແລະ SiC (Silicon Carbide) MOSFETs, ໂດຍສະເພາະໃນແອັບພລິເຄຊັນທີ່ສູງກວ່າ 1,200 volts. ອຸປະກອນ SiC ສະຫນອງການປ່ຽນໄວຂຶ້ນ, ການສູນເສຍຕ່ໍາ, ແລະຂອບເຂດຈໍາກັດຄວາມຮ້ອນທີ່ສູງຂຶ້ນ, ເຖິງແມ່ນວ່າມີຄ່າໃຊ້ຈ່າຍສູງກວ່າ. IGBTs ຄາດວ່າຈະຮັກສາຄວາມເດັ່ນໃນຂອບເຂດແຮງດັນກາງ (600-1700V) ບ່ອນທີ່ຄວາມອ່ອນໄຫວດ້ານຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຍັງມີຄວາມສໍາຄັນ, ໃນຂະນະທີ່ semiconductors ແຖບກວ້າງຄ່ອຍໆໄດ້ຮັບສ່ວນແບ່ງຕະຫຼາດໃນຂະແຫນງການທີ່ມີປະສິດທິພາບສູງ.
ສະຫຼຸບ
Insulated Gate Transistor Bipolar ເປັນຕົວແທນຂອງຫນຶ່ງໃນຕົວຢ່າງທີ່ປະສົບຜົນສໍາເລັດທີ່ສຸດຂອງວິສະວະກໍາ semiconductor ໃນຂົງເຂດເອເລັກໂຕຣນິກພະລັງງານ. ໂດຍການລວມເອົາການຄວບຄຸມປະຕູທີ່ມີແຮງດັນຂອງ MOSFETs ກັບການນໍາ BJTs ທີ່ມີການສູນເສຍສູງ, ຕ່ໍາ, IGBTs ສະຫນອງການແກ້ໄຂທີ່ເປັນເອກະລັກແລະມີອໍານາດສໍາລັບການຄຸ້ມຄອງພະລັງງານໃນຄໍາຮ້ອງສະຫມັກນັບບໍ່ຖ້ວນ.
ບົດບາດຂອງເຂົາເຈົ້າໃນການຂົນສົ່ງໄຟຟ້າ, ການປັບປຸງປະສິດທິພາບອຸດສາຫະກໍາ, ແລະການເຮັດໃຫ້ການເຊື່ອມໂຍງພະລັງງານທົດແທນບໍ່ສາມາດ overstated. ໃນຂະນະທີ່ຄວາມຕ້ອງການລະບົບພະລັງງານທີ່ສະອາດ, ມີປະສິດທິພາບ, ແລະອັດສະລິຍະເພີ່ມຂຶ້ນ, IGBTs ຈະສືບຕໍ່ພັດທະນາ, ຮັກສາຄວາມກ່ຽວຂ້ອງຂອງເຂົາເຈົ້າໃນຂະນະທີ່ຢູ່ຮ່ວມກັນກັບເຕັກໂນໂລຢີທີ່ພົ້ນເດັ່ນຂື້ນ.
ຄວາມເຂົ້າໃຈ IGBTs ບໍ່ພຽງແຕ່ໃຫ້ຄວາມເຂົ້າໃຈກ່ຽວກັບວິທີການເຮັດວຽກຂອງເອເລັກໂຕຣນິກທີ່ທັນສະໄຫມ, ແຕ່ຍັງເປີດປະຕູໃນການອອກແບບການຜະລິດຕໍ່ໄປຂອງລະບົບພະລັງງານ smart. ບໍ່ວ່າເຈົ້າເປັນນັກຮຽນ, ວິສະວະກອນ, ຫຼືຜູ້ທີ່ມັກເທັກໂນໂລຍີ, ການຮູ້ຈັກຫຼັກການ ແລະການນຳໃຊ້ IGBTs ແມ່ນກຸນແຈສຳຄັນໃນການເຂົ້າໃຈໂຄງສ້າງພື້ນຖານທີ່ໃຫ້ພະລັງແກ່ໂລກຂອງພວກເຮົາ.
