Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения

Технологии в области силовой электроники все время совершенствуются: реле становятся твердотельными, биполярные транзисторы и тиристоры заменяются все обширнее на полевые транзисторы, новые материалы разрабатываются и применяются в конденсаторах и т. д. — всюду определенно заметна активная технологическая эволюция, которая не прекращается ни на год. С чем же это связано?

Это связано, очевидно, с тем, что в какой-то момент производители оказываются не в состоянии удовлетворить запросы потребителей на возможности и качество силового электронного оборудования: у реле искрят и обгорают контакты, биполярные транзисторы для управления требуют слишком много мощности, силовые блоки занимают неприемлемо много места и т. п. Производители конкурируют между собой — кто первым предложит лучшую альтернативу…?

Так и появились полевые MOSFET транзисторы, благодаря которым управление потоком носителей заряда стало возможным не посредством изменения тока базы, как у биполярных предков, а посредством электрического поля затвора, по сути — просто приложенным к затвору напряжением.

В итоге уже к началу 2000-х доля силовых устройств на MOSFET и IGBT составляла около 30%, в то время как биполярных транзисторов в силовой электронике осталось менее 20%. За последние лет 15 произошел еще более существенный рывок, и биполярные транзисторы в классическом понимании почти полностью уступили место MOSFET и IGBT в сегменте управляемых силовых полупроводниковых ключей.

Проектируя, к примеру, силовой высокочастотный преобразователь, разработчик уже выбирает между MOSFET и IGBT – оба из которых управляются напряжением, прикладываемым к затвору, а вовсе не током, как биполярные транзисторы, и цепи управления получаются в результате более простыми. Давайте, однако рассмотрим особенности этих самых транзисторов, управляемых напряжением затвора.

MOSFET или IGBT

У IGBT (БТИЗ-биполярный транзистор с изолированным затвором) в открытом состоянии рабочий ток проходит через p-n-переход, а у MOSFET – через канал сток-исток, обладающий резистивным характером. Вот и возможности для рассеяния мощности у этих приборов различаются, потери получаются разными: у MOSFET-полевика рассеиваемая мощность будет пропорциональна квадрату тока через канал и сопротивлению канала, в то время как у БТИЗ рассеиваемая мощность окажется пропорциональна напряжению насыщения коллектор-эмиттер и току через канал в первой степени.

Если нам нужно снизить потери на ключе, то потребуется выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением канала, однако не стоит забывать, что с ростом температуры полупроводника это сопротивление вырастет и потери на нагрев все же возрастут. А вот у IGBT с ростом температуры напряжение насыщения p-n-перехода наоборот снижается, значит и потери на нагрев уменьшаются.

Но не все так элементарно, как может показаться на взгляд неискушенного в силовой электронике человека. Механизмы определения потерь у IGBT и MOSFET в корне различаются.

Как вы поняли, у MOSFET-транзистора сопротивление канала в проводящем состоянии обуславливает определенные потери мощности на нем, которые по статистике почти в 4 раза превосходят мощность, затрачиваемую на управление затвором.

У IGBT дело обстоит с точностью до наоборот: потери на переходе меньше, а вот затраты энергии на управление — больше. Речь о частотах порядка 60 кГц, и чем выше частота — тем больше потери на управление затвором, особенно применительно к IGBT.

Дело все в том, что в MOSFET неосновные носители заряда не рекомбинируют, как это происходит в IGBT, в составе которого есть полевой MOSFET-транзистор, определяющий скорость открывания, но где база недоступна напрямую, и ускорить процесс при помощи внешних схем нельзя. В итоге динамические характеристики у IGBT ограничены, ограничена и предельная рабочая частота.

Повышая коэффициент передачи и снижая напряжение насыщения — допустим, понизим статические потери, но зато повысим потери при переключении. По этой причине производители IGBT-транзисторов указывают в документации на свои приборы оптимальную частоту и максимальную скорость переключения.

Есть недостаток и у MOSFET. Его внутренний диод отличается конечным временем обратного восстановления, которое так или иначе превышает время восстановления, характерное для внутренних антипараллельных диодов IGBT. В итоге имеем потери включения и токовые перегрузки у MOSFET в полумостовых схемах.

Теперь непосредственно про рассеиваемое тепло. Площадь полупроводниковой IGBT-структуры больше чем у MOSFET, поэтому и рассеиваемая мощность у IGBT больше, вместе с тем температура перехода в процессе работы ключа растет интенсивнее, поэтому важно правильно подобрать радиатор к ключу, грамотно рассчитав поток тепла, приняв в расчет тепловые сопротивления всех границ сборки.

У MOSFET на высоких мощностях также растут потери на нагрев, сильно превосходя потери на управление затвором IGBT. При мощностях выше 300-500Вт и на частотах в районе 20-30 кГц преимущество будет за IGBT-транзисторами.

Вообще, для каждой задачи выбирают свой тип ключа, и есть определенные типовые воззрения на этот аспект. MOSFETы подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В — зарядные устройства, импульсные блоки питания, компактные инверторы небольшой мощности и т. д. – подавляющее большинство из них собирают сегодня на MOSFET.

IGBT хорошо работают на частотах до 20 кГц при напряжениях питания 1000 и более вольт — частотные преобразователи, ИБП и т. п. – вот низкочастотный сегмент силовой техники для IGBT-транзисторов.

В промежуточной нише — от 300 до 1000 вольт, на частотах порядка 10 кГц, – подбор полупроводникового ключа подходящей технологии осуществляют сугубо индивидуально, взвешивая все за и против, включая цену, габариты, КПД и другие факторы.

Между тем нельзя однозначно сказать, что в одной типовой ситуации подойдет именно IGBT, а в другой — только MOSFET. Необходимо комплексно подходить к разработке каждого конкретного устройства. Исходя из мощности прибора, режима его работы, предполагаемого теплового режима, приемлемых габаритов, особенностей управления схемой и т.д.

И главное — выбрав ключи нужного типа, разработчику важно точно определить их параметры, ибо в технической документации (в даташите) отнюдь не всегда все точно соответствует реальности. Чем более точно будут известны параметры — тем эффективнее и надежнее получится изделие, независимо от того, идет ли речь об IGBT или о MOSFET.

IGBT транзисторы: принцип работы, разновидности полупроводников, основные параметры силовых компонентов

Глава 6. Биполярный транзистор с изолированным затвором. (IGBT)

Принцип действия биполярного транзистора с изолированным

Затвором (IGBT)

Развитие полупроводниковой электроники привело к созданию в 1980-х годах новой разновидности мощных устройств, выгодно отличающихся как от полевых транзисторов, так и от биполярных структур (транзисторов и тиристоров).

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) – полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого – трехслойная p-n структура. Его включение и отключение осуществляется подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.

Рис. Структура (а), упрощенная эквивалентная схема (б) и условное обозначение (в) IGBT

На рис. представлена структура одной ячейки транзистора. Большое количество таких ячеек , соединенных параллельно, образует полную структуру транзистора, что позволяет получать значительный ток в главной цепи. Верхняя часть структуры, обозначенная на рисунке цифрой 1, представляет собой полевой транзистор с индуцированным каналом n–типа. Нижняя часть структуры, обозначенная цифрой 2 образует p-n-p биполярный транзистор с переходами П1 и П2.

При приложении положительного потенциала к аноду переход П1 смещается в прямом направлении, а П2 – в обратном. При нулевом потенциале на затворе канал отсутствует и МОП транзистор закрыт. При этом биполярный транзистор работает в режиме с отключенной базой и находится в закрытом состоянии. Структура в этом режиме выдерживает значительные анодные напряжения (не превышающие напряжения пробоя перехода П2). При подаче на затвор положительного напряжения, превышающего пороговое значение 5 – 7 В, в МОП транзисторе формируется проводящий канал и он открывается. Электроны из области истока n + проходят зону p + и поступают в базовую область n(сток). Поскольку эта область одновременно является базой для p-n-p биполярного транзистора, увеличение концентрации электронов в ней приводит к понижению потенциала перехода П1. Усиливается инжекция дырок из нижней p + области , что приводит к росту тока в цепианод –катод. Сопротивление базы при этом снижается, что приводит к снижению падения напряжения на IGBT.

При снятии напряжения на затворе происходит выключение IGBT..

Характеристики и основные свойства IGBT транзисторов.

Коммерческое использование IGBT началось в 1980-х годах и прошло в четыре стадии, сопровождавшихся повышением прямых напряжений и токов, которые сейчас составляют 4500 В, 1800 А, при частотах до 50 кГц. Этот вид устройств позволил использовать достоинства и избежать недостатков как МОП, так и биполярных структур.

МОП транзисторы обладают высоким входным сопротивлением, высоким

быстродействием, но имеют высокое сопротивление канала и высокое остаточное напряжение в открытом состоянии. Приборы с биполярным механизмом имеют низкое сопротивление и остаточное напряжение, но облада-

Рис. Выходные вольтамперные характеристики IGBT	Рис. . Зависимость плотности прямого тока от прямого напряжения для IGBT, силового МОП ПТ и биполярного транзистора

ют низким быстродействием, а тиристоры к тому же требуют достаточно большой входной ток.

IGBT транзисторы совмещают достоинства обоих исходных структур. Они имеют высокое входное сопротивление, малое остаточное напряжение в открытом состоянии, высокую плотность тока и высокое быстродействие. На рис. приведены выходные вольтамперные характеристики IGBT транзистора, а на рис. показаны зависимости плотности тока от прямого напряжения для транзисторов IGBT, МОП и биполярных. По кривым видно, что падение напряжения на открытом транзисторе не превышает 4 В. Кроме того, при типичном для приборов с напряжением пробоя 600 В рабочем прямом падении напряжения в 3 В плотность тока IGBT транзистора примерно в 20 раз больше, чем у мощного МОП транзистора.

IGBT транзисторы выполняются в виде модулей с односторонним прижимом или в таблеточном исполнении. Из-за малого входного тока цепи управления – драйверы, компактны и могут входить в структуру прибора. Выпускаются «интеллектуальные» модули, которые помимо драйверов содержат устройства защиты, диагностики, однокристальные ЭВМ. Модули могут содержать по два IGBT , а также шунтирующий диод, включенный в обратном направлении. Для корпусов применяются композитные материалы, которые обеспечивают хорошую изоляцию и отвод тепла.

IGBT транзисторы находят применение при создании широкого ряда преобразователей для электроприводов мощностью до 100 кВт.

IGBT транзистор

Биполярный транзистор с изолированным затвором

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.

БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.

IGBT транзистор – это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.

Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки “Ресанта” и других аналогичных аппаратах.

Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.

Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n – канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.

История появления БТИЗ.

Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.

Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.

Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.

Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (I_{кэ max}), а рабочее напряжение (U_{кэ max}) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор – З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.

Особенности и сферы применения БТИЗ.

Отличительные качества IGBT:

Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);

Имеют низкие потери в открытом состоянии;

Могут работать при температуре более 100 0 C;

Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.

Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.

Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.

IGBT-модули.

IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого “частотника”) для управления трёхфазным двигателем.

IGBT модуль

Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).

Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.

Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.

IGBT-транзистор: характеристики, принцип действия, применение

IGBT-транзистор – это устройство с изолированным затвором. Сфера применения его очень широка. Чаще всего его можно встретить в электроприводах, которые используются как в быту, так и в промышленности. Дополнительно указанные транзисторы необходимы для работы корректоров мощности. Источники бесперебойного питания, которые используются для персональных компьютеров, без них также не могут работать.

В некоторых случаях транзисторы данного типа целесообразно устанавливать на сварочные инверторы. Там они заменяют обычные полевые аналоги. В конечном счете следует упомянуть об источниках питания. В данном случае они выполняют там роль проводника.

Как устроен транзистор?

Различные модели по своей структуре являются похожими, и схемы на IGBT-транзисторах имеются идентичные. В центральной части устройства располагается эмиттер. Под ним находится база, которая имеет определенную толщину. Коллектор в устройстве находится над эмиттером. При этом его переход может быть также различной ширины. Дополнительно следует отметить, что у коллектора имеется свой выход.

Принцип работы устройства

В приборах используются различные IGBT-транзисторы. Принцип работы их основан на колебаниях предельной частоты. При этом параметр полосы пропускания также изменяется. В зависимости от размера базы, номинальное напряжение системой выдерживается разное. При подаче тока на эмиттер он изменяет свою полярность.

Дальше у его основы проходит процесс преобразования. При этом переходы устройства не задействуются. Для увеличения предельной частоты к цепи подключается коллектор. Через его переходы ток поступает на базу. Последняя фаза преобразования происходит на выходе через проводники. Драйверы IGBT-транзисторов подбираются, исходя из серии модели.

Какие основные параметры у него есть?

Основным параметром транзистора принято считать предельную частоту. Измеряется этот показатель в Гц. На его величину влияет толщина базы устройства. Дополнительно следует учитывать пороговое напряжение прибора. В свою очередь, точность слежения зависит от пропускной способности коллектора. Переходы в данном случае осуществляются через базу. Для эмиттера основным параметром принято считать скорость отклика сигнала. Измеряется данный показатель в мс.

Транзисторы серии IRG4BC10K

Данные IGBT-транзисторы характеристики имеют хорошие и отличаются они довольно прочным корпусом. При этом база устанавливается толщиною ровно 1,1 мм. За счет этого пропускная способность устройства довольно хорошая. Дополнительно следует отметить высокую проводимость эмиттера. С лучевыми конденсаторами данные устройства работать не способны.

В свою очередь, для модуляторов указанные транзисторы подходят хорошо. Точность слежения устройства в конечном счете будет зависеть от многих параметров. В первую очередь важно учитывать пороговое напряжение на входе. Если оно превышает 20 В, то перед транзистором многие специалисты советуют устанавливать двоичную шину. Таким образом, отрицательное сопротивление в цепи можно значительно снизить.

Переходы эмиттера в устройстве существует возможность регулировать через изменения показателя индуктивности. Если рассматривать обычные преобразователи, то там для этих целей дополнительно устанавливаются регуляторы. Для того чтобы понять, как проверить IGBT-транзистор IRG4BC10K, необходимо ознакомиться с устройством мультиметра.

Параметры транзистора серии IRG4BC8K

Серия IRG4BC8K – это новые IGBT-транзисторы. Принцип работы их основан на изменении прохода. При этом параметр предельной частоты прибора будет зависеть от скорости процесса преобразования. База в указанной модели толщину имеет 1,3 мм. В связи с этим номинальное напряжение на входе устройство способно выдерживать на уровне 4 В.

Дополнительно следует учитывать, что для усилителей представленная модель не годится. Связано это в большей степени с малой скоростью переходов. Однако преимуществом этой модели можно назвать низкий порог сопротивления. В связи с этим в регуляторах мощности данный прибор способен работать довольно успешно. Некоторые специалисты его также устанавливают в различные электроприводы.

Применение моделей IRG4BC17K

Применение IGBT-транзисторов IRG4BC17K очень широко. Указанная модель проводников имеет всего два. Толщина базы в данном случае равняется 1,2 мм. Параметр предельной частоты устройства в среднем не превышает 5 Гц. За счет этого отрицательное сопротивление системой выдерживается довольно большое. Эмиттер в данном случае обладает высокой проводимостью.

Управление IGBT-транзистором осуществляется через смену фазы в цепи. Используется конкретно эта модель чаще всего в регуляторах мощности. Дополнительно многие специалисты устанавливают эти транзисторы в качестве проводников в устройства бесперебойного питания.

Особенности модели IRG4BC15K

Указанный IGBT-транзистор отличается наличием буферного слоя в эмиттере. Пропускная способность достигает 4 мк. Для регулировки переходов используется подложка. С лучевыми конденсаторами устройства данного типа работать не способны. Дополнительно следует учитывать, что в преобразователи эти модели устанавливаются довольно редко. Связано это в большей степени с тем, что точность слежения у устройств очень низкая. Однако некоторые специалисты для решения этой проблемы устанавливают в начале цепи двоичные шины.

Для того чтобы корректно работали IGBT-транзисторы, проверка их мультиметром должна осуществляться как можно чаще. С регуляторами IRG4BC15K используются довольно часто. В этом случае особое внимание следует уделять параметру индукции, а также пороговому напряжению. Если оно на входе превышает 40 В, то процесс размагничивания эмиттера будет происходить довольно быстро. Использоваться IRG4BC15K способен при температуре свыше 40 градусов. Работа IGBT-транзистора основана на изменении предельной частоты. Регулировать ее можно несколькими способами.

В усилителях это происходит за счет быстрой смены фазы. Если рассматривать устройства бесперебойного питания, то там многое зависит от типа конденсаторов. При использовании аналоговых модификаций смена параметра предельной частоты осуществляется за счет переключения подложки. Для того чтобы понять, как проверить IGBT-транзистор IRG4BC15K, необходимо ознакомиться с устройством мультиметра.

Область применения транзистора IRG4BC3K

Данная модель, как правило, используется в электроприводах различной мощности. Если рассматривать промышленные модификации, то там они играют роль проводников. Для увеличения показателя чувствительности устройства многие специалисты советуют использовать двоичную шину в цепи. Также следует учитывать, что конденсаторы должны устанавливаться только закрытого типа. Все это необходимо для того, чтобы тепловые потери в цепи были минимальными. В результате пропускная способность эмиттера, который располагается в транзисторе, будет максимальной.

В устройствах бесперебойного питания IRG4BC3K устанавливаются довольно редко. В первую очередь это обусловлено высоким показателем отрицательного сопротивления в цепи на уровне 5 Ом. Также еще одной проблемой в данной ситуации является медленный процесс преобразования. Для того чтобы понять, как проверить IGBT-транзистор мультиметром, необходимо ознакомиться с инструкцией к устройству.

Установка транзистора в электропривод

Устанавливают мощные IGBT-транзисторы на электропривод только возле двоичной шины. В данном случае целесообразнее подбирать модель с базой не более 1,2 мм. Все это необходимо для того, чтобы пропускная способность устройства не превышала в конечном счете 3 мк. Дополнительно многие специалисты советуют обращать внимание на параметр отрицательного сопротивления в цепи. В среднем он колеблется в районе 9 Ом. Для того чтобы переходы в устройстве происходили корректно, вышеуказанный параметр не должен превышать 11 Ом.

Лучевые конденсаторы в электроприводах лучше не использовать. В этом плане более умным будет установить аналоги закрытого типа. За счет этого можно значительно снизить тепловые потери. Наиболее распространенными проблемами в данной ситуации можно считать перегорание коллектора в транзисторе. Происходит это, как правило, из-за резкого повышения порогового напряжения.

Дополнительно проблема может заключаться в неправильном подсоединении транзистора к цепи. Выходной его проводник должен в обязательном порядке соединяться с анодом. При этом скорость отклика должна составлять как минимум 5 мс. Обработка контуров, в свою очередь, может быть разной. В данной ситуации многое зависит от ширины полосы пропускания устройства.

Транзистор в блоке питания на 5 В

Транзистор в блоке питания на 5 В может устанавливаться без двоичной шины. При этом предельное напряжение на входе регулировать можно. Для того чтобы повысить порог чувствительности устройства, многие в цепи дополнительно используют лучевые конденсаторы. Однако в такой ситуации может повыситься пороговое выходное напряжение. Принцип работы транзистора в блоке питания заключается в преобразовании тока. При этом параметр предельной частоты также изменяется. Происходит это через смену переходов в коллекторе.

Транзисторы у блоков на 10 В

Для того чтобы блок питания успешно функционировал, транзистор для него следует подбирать с базой не менее 1,1 мм. При этом переходы должны осуществляться со скоростью отклика в 6 мс. При таких параметрах можно надеяться на хорошую проводимость тока. Дополнительно следует учитывать предельную нагрузку на устройство.

В среднем данный показатель колеблется в районе 3 А. За счет резкого повышения отрицательного сопротивления в цепи силовые транзисторы IGBT могут перегореть. Чтобы предотвратить такие ситуации, важно использовать двоичную шину. Дополнительно следует обращать внимание на расположение конденсаторов на микросхеме. Некоторые специалисты в данном вопросе советуют смотреть на параметр полосы пропускания. Если конденсаторы в блоке питания находятся попарно, то тепловые потери при этом буду минимальными. Обратная связь в данном случае происходит довольно быстро, если транзистор отвечает всем требованиям блока.

Устройства в блоке на 15 В

Транзисторы для блока такой мощности подходят только с базами не менее 1,5 мм. При этом затворы на них должны быть установлены кремниевого типа. Конденсаторы для блоков можно использовать различные. В конечном счете важно следить за параметром порогового напряжения. Еще важно брать во внимание характеристики конденсаторов. Если износ их проводников осуществляется довольно быстро, то нагрузка на транзистор оказывается большая.

Транзисторы в регуляторах освещения

Транзисторы для регуляторов являются необходимыми. В первую очередь они играют роль проводников. Дополнительно они принимают участие в процессе преобразования тока. В данном случае изменение полярности тока происходит через эмиттерные переходники. Также следует учитывать, что уровень отрицательного сопротивления тесно связан с чувствительностью устройства.

Для того чтобы минимизировать тепловые потери транзистора, в регуляторе необходимо использовать двоичную шину. Также многие специалисты в этой области советуют новичкам применять конденсаторы в цепи только закрытого типа.

Транзисторы для инверторов солнечных батарей

Транзисторы для инверторов солнечных батарей необходимо подбирать исходя из показателя дифференциального сопротивления. В среднем данный параметр колеблется в районе 5 Ом. Дополнительно специалисты советуют обращать внимание на базу устройства. Ели ее толщина превышает 1,3 мм, то в инверторе могут происходить довольно резкие спады температуры.

Связано это с медленным откликом сигнала. Дополнительно важно помнить о чувствительности устройства. Для повышения данного параметра многие устанавливают рядом с транзисторами еще двоичные шины. За счет этого также в цепи повышается параметр предельного напряжения до 3 В. Однако в данном случае многое зависит от типа инвертора. Еще важно учитывать амплитуду модуляции, которая влияет на работу транзистора.

Модели в устройствах бесперебойного питания

Большинство транзисторов для установки в устройства бесперебойного питания годятся. При этом необходимо обращать внимание только на толщину базы. В данном случае она не должна превышать 1,4 мм. Еще некоторые специалисты советуют осматривать транзистор на наличие дополнительного проводника. На сегодняшний день многие производители выпускают именно такие модификации.

Связано это с тем, что полоса пропускания у них значительно повышается. Однако к недостаткам следует отнести низкую скорость отклика сигнала. Также важно учитывать, что у них в последнее время наблюдаются определенные проблемы, связанные с установкой двоичной шины рядом.

Транзистор IRG4BC10K для регулятора мощности

Для регулятора мощности данные транзисторы подходят идеально. Принцип работы указанной модели заключается в изменении предельной частоты в устройстве. Осуществляется это через смену перехода. При этом важно учитывать, что толщина базы в данном случае составляет ровно 1.2 мм. Помимо прочего надо отметить высокую пропускную способность транзистора на уровне 23 мк. Все это было достигнуто за счет увеличения мощности коллектора. Устанавливать данный элемент в регуляторе целесообразнее возле модулятора.

Также нужно заранее рассчитать уровень отрицательного сопротивления. Все это необходимо для того, чтобы минимизировать риск резкого повышения температуры внутри системы. В конечном счете это приведет к прогоранию коллектора в транзисторе. Также многие специалисты в данной ситуации считают не лишним позаботиться о зачистке проводников. Все это необходимо для того, чтобы увеличить скорость отдачи сигнала. При этом чувствительность прибора также повысится.

Транзистор IRG4BC13K для регулятора мощности

IGBT-транзистор данного типа оснащен специальным кремниевым затвором. Пропускная способность эмиттера в данном случае составляет более 4 мк. Для того чтобы повысить чувствительность коллектора, многие специалисты советуют применять двоичные шины. Устанавливаются они в регуляторе сразу за транзистором. Также важно учитывать параметр выходной мощности устройства.

Если он превышает 40 В, то двоичную шину в такой ситуации лучше не использовать. В противном случае тепловые потери будут довольно значительные. Еще одна проблема с транзисторами данной серии заключается в быстром перегреве коллектора. Происходит это при смене фазы. Связан этот процесс, как правило, с понижением индукции. Для того чтобы исправить эту ситуацию, важно поменять в регуляторе конденсаторы. Некоторые специалисты вместо закрытых элементов устанавливают полевые аналоги.

Модель IRG4BC19K для регулятора мощности

Данный IGBT-транзистор на сегодняшний день в регуляторах мощности встречается довольно часто. Обусловлен этот факт в первую очередь его большой пропускной способностью. Также следует отметить, что затвор в нем стандартно применяется кремниевый. Параметр отрицательного сопротивления при использовании данного транзистора не должен превышать 5 Ом. В противном случае пользователь столкнется с перегревом коллектора.

Также параллельно может пострадать база устройства. Исправить такие повреждения в транзисторе затем будет невозможно. Для того чтобы минимизировать риски в регуляторе, лучше устанавливать конденсаторы закрытого типа. За счет своей повышенной чувствительности они способны значительно ускорить процесс передачи сигнала. При этом ширина пропускания тока зависит от модулятора, который используется в регуляторе мощности.

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой – лучше IGBT. Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях. Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.

Кратко о MOSFET

MOSFET – это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено – может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества – более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот. Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах – электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.

МОП-транзистор:

• Высокая частота переключения.
• Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера.
• Более низкая емкость затвора.
• Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
• Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль:

• Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
• Лучшая устойчивость к перегрузкам.
• Улучшенная способность распараллеливания схемы.
• Более быстрое и плавное включение и выключение.
• Снижение потерь при включении и при переключении.
• Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Обсудить статью MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Что такое транзистор и как он работает?

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

• биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
• комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
• лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
• конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

V_T – величина термодинамического напряжения, N_n и N_p – концентрация соответственно электронов и дырок, а n_i обозначает собственную концентрацию.

При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство может работать и в усилительном режиме.

Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: I_к = ß*I_Б, где ß – коэффициент усиления по току, I_Б – ток базы.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

• низкое входное сопротивление, которое не превышает 100 Ом;
• хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных источника для питания.

Схемы с общим эмиттером обладают:

• высокими коэффициентами усиления по току и напряжению;
• низкие показатели усиления по мощности;
• инверсией выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

• большое входное и незначительное выходное сопротивление;
• низкий коэффициент напряжения по усилению ( Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:

• с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
• схемы с общим затвором обеспечивающие низкое входное сопротивление, и незначительное усиление (имеет ограниченное применение);
• с общим стоком, работающие так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы включения.

Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов

Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.