Der Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode (IGBT)

IGBTs sind eine der ausgereiftesten Lösungen, die sich durch breite Energiebandlücken auszeichnen und mit hohen Geschwindigkeiten schalten können, während sie gleichzeitig die Verlustleistung reduzieren und Platz sparen.

Der Wirkungsgrad von IGBT SiC steigt kontinuierlich und die Schaltverluste sind deutlich geringer geworden. Er kann in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, unter anderem in Traktionswechselrichtern und EV-Ladestationen.

Kosten

Von allen für die Stromumwandlung verwendeten Technologien ist der Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT) derzeit besonders ausgereift. Im Vergleich zu Siliziumkarbid (SiC) bietet diese Lösung mehrere Vorteile wie erhöhte Zuverlässigkeit und geringere Schaltverluste, hat aber immer noch einige Nachteile hinsichtlich Kosteneffizienz und Schaltdynamik. Um diese Bedenken auszuräumen, wurden experimentelle Systeme mit einphasigen Si-IGBT-Bauelementen und dreiphasigen SiC-IGBT-Bauelementen verwendet - die Verwendung von SiC-Bauelementen führte zu einem Effizienzgewinn von etwa 4% bei geringeren Schaltverlusten von nahezu Null, was zu Energieeinsparungen in beiden Phasen im Vergleich zu seinem Gegenstück führte.

Effizienz

Die Effizienz von Wide-Bandgap-Transistoren (WBG) steigt rapide an und könnte schon bald die auf Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) basierenden Designs überholen. Wide-Bandgap-Transistoren haben sich aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten und ihrer herausragenden Leistung bei höheren Temperaturen und Spannungen schnell zu einer festen Größe in der Leistungselektronik entwickelt; außerdem weisen sie niedrigere Gateströme und eine geringere parasitäre Induktivität als Si-IGBTs auf.

Um die Effizienz von SiC-IGBTs zu bewerten, haben wir ihre Effizienz mit der von Si-IGBTs verglichen, wenn sie in dreiphasigen Wechselrichter-basierten Systemen mit RL-Lasten eingesetzt werden. Zu diesem Zweck haben wir die Schaltdauer und die Stromwellenformen beider Schaltertypen gemessen und verglichen. Dazu haben wir unser MICsig-Handheld-Multifunktionsoszilloskop und das Hantek-Zangenmessgerät zur Messung von Spannung und Strom der Geräte verwendet.

Vergleichen Sie zwei Werte für die Ein- und Ausschaltwiderstände des externen Gates (Rg,on und Rg,off), um eine maximale Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. Die unter diesen Bedingungen durchgeführten Experimente zeigten, dass der Si-IGBT-Wandler bei 30 kHz einen höheren Wirkungsgrad hat als die 3-kHz-Version. Die Kosten- und Volumenunterschiede waren geringer als erwartet, da das Volumen des netzseitigen und des umrichterseitigen Induktors vergleichbar war, während das Volumen des Kondensators vernachlässigbar war.

Leistung

Die Leistung von SiC-IGBT wurde mit drei experimentellen Systemen bewertet: zwei dreiphasige Wechselrichtersysteme und ein Einzelimpulstestsystem (SPT). Das SPT wird verwendet, um das harte Schaltverhalten zwischen den Schaltern zu vergleichen; es besteht aus einem Leistungsmodul und einer RL-Last für genaue Messungen der Schalttransienten und des Wirkungsgrads; die Leistungsverluste wurden dann unter identischen Bedingungen mit einem tragbaren Multifunktionsoszilloskop MICsig und einem Zangenmultimeter UT201 verglichen; Leitungsverluste, Schaltverluste, Gate-Treiber-Verluste und Diodenverluste wurden berücksichtigt; Gate-Treiber- und Diodenverluste blieben unberücksichtigt.

SiC-IGBTs weisen eine breitere Energiebandlücke als herkömmliche IGBTs auf, wodurch sie bei höheren Frequenzen als ihre Gegenstücke arbeiten können und hohen Temperaturen besser standhalten als andere. Infolgedessen sind ihre Gesamtverluste geringer, was Platz in den Schaltkreisen spart und gleichzeitig die Streuinduktivität verringert, die die Strombelastbarkeit eines IGBTs erhöht.

Im Switching Performance Test Center (SPT) wurden IGBT-Schalttransienten unter verschiedenen Lastbedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die IGBTs im SPT energieeffizienter waren als ihre Gegenstücke in herkömmlichen AGPU-Systemen; außerdem waren die Abschaltverluste im Vergleich zu den in AGPU-Systemen verwendeten IGBTs deutlich geringer.

Anwendungen

Die Igbt-Technologie (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) hat sich als eine der ausgereifteren Leistungshalbleitertechnologien erwiesen, die zuverlässige Leistung zu angemessenen Kosten und hervorragende Spannungs- und Strommanagementfähigkeiten bietet. Ihre Einschränkungen in bestimmten Bereichen, wie z. B. begrenzte Schaltgeschwindigkeit und Langzeitbetriebstemperaturen, behindern jedoch ihre breite Anwendung. Um diese Hürden zu überwinden, arbeiten Forscher an neuen Innovationen, die die Schaltgeschwindigkeiten erhöhen und gleichzeitig höhere Betriebstemperaturen für IGBTs zulassen.

Um diese Ziele zu erreichen, wurde eine neue Technologie entwickelt, die mehr als 300 V mit einer hohen Schaltfrequenz erzeugen kann. Die eingesetzten SiC-IGBTs können höheren Spannungen als herkömmliche IGBTs standhalten und gleichzeitig die Leistungsverluste reduzieren, was zu einer verbesserten Leistung und niedrigeren Kosten führt.

SiC-IGBTs wurden im Vergleich zu herkömmlichen IGBTs sowohl in Einzelimpulstests als auch in dreiphasigen Wechselrichtersystemen getestet, und die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass SiC-IGBTs in beiden Umgebungen einen höheren Wirkungsgrad als IGBTs aufweisen. Sie hatten auch kürzere Schaltzeiten aufgrund eines geringeren Einschalt-Gate-Widerstands und einer geringeren Streuinduktivität; diese Verringerungen ermöglichten ein schnelleres Schalten und eine höhere Energieeffizienz, was zu einem Wirkungsgrad von 86% bei Einzelimpuls-Testanwendungen bzw. 92% bei dreiphasigen Wechselrichtern mit sechs Schaltern führte.