IGBT транзисторы принцип работы

IGBT транзисторы

Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются новым типом активного прибора, который появился сравнительно недавно. Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного.

В литературе этот прибор называют IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) . По быстродействию они значительно превосходят биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых время включения 0,2 – 0,4 мкс, а время выключения 0,2 – 1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи 1200 А.

IGBT- т ранзисторы вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразования частоты и позволяют создать импульсные источники вторичного электропитания с качественно лучшими характеристиками. IGBT- т ранзисторы используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5 – 3,5В.

Как видно из структуры IGBT-транзистора (рис. 1), это достаточно сложный прибор, в котором транзистор типа р–n–р управляется МОП-транзистором с каналом типа n.

Коллектор IGBT-транзистора (рис. 2,а) является эмиттером транзистора VT4. При подаче положительного напряжения на затвор у транзистора VT1 по-является электропроводный канал. Через него эмиттер транзистора IGBT (коллектор транзистора VT4) оказывается соединенным с базой транзистора VT4.

Это приводит к тому, что он полностью отпирается и падение напряжения между коллектором транзистора IGBT и его эмиттером становится равным падению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4, просуммированному с падением напряжения Uси на транзисторе VT1.

В связи с тем, что падение напряжения на р–n-переходе уменьшается с увеличением температуры, падение напряжения на отпертом IGBT-транзисторе в определенном диапазоне токов имеет отрицательный температурный коэффициент, который становится положительным при большом токе. Поэтому падение напряжения на IGBT-транзисторе не опускается ниже порогового напряжения диода (эмиттерного перехода VТ4).

Рис. 2. Эквивалентная схема IGBT-транзистора (а) и его условное обозначение в отечественной (б) и иностранной (в) литературе

При увеличении напряжения, приложенного к транзистору IGBT, увеличивается ток канала, определяющий ток базы транзистора VT4, при этом падение напряжения на IGBT-транзисторе уменьшается.

При запирании транзистора VT1 ток транзистора VT4 становится малым, что позволяет считать его запертым. Дополнительные слои введены для исключения режимов работы, характерных для тиристоров, когда происходит лавинный пробой. Буферный слой n+ и широкая базовая область n– обеспечивают уменьшение коэффициента усиления по току p–n–p-транзистора.

Общая картина включения и выключения достаточно сложная, так как наблюдаются изменения подвижности носителей заряда, коэффициентов передачи тока у имеющихся в структуре p–n–p- и n–p–n-транзисторов, изменения сопротивлений областей и пр. Хотя в принципе IGBT–транзисторы могут быть использованы для работы в линейном режиме, пока в основном их применяют в ключевом режиме.

При этом изменения напряжений у коммутируемого ключа характеризуются кривыми, показанными на рис.3.

Рис. 4. Схема замещения транзистора типа IGBT (а) и его вольт-амперные характеристики (б)

Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5 – 1,0 мкс. Для уменьшения количества дополнительных внешних компонентов в состав IGBT-транзисторов вводят диоды или выпускают модули, состоящие из нескольких компонентов (рис. 5, а – г).

Рис. 5. Условные обозначения модулей на IGBT-транзисторах: а – МТКИД; б – МТКИ; в – М2ТКИ; г – МДТКИ

Условные обозначения IGBT-транзисторов включают: букву М – модуль беспотенциальный (основание изолировано); 2 – количество ключей; буквы ТКИ – биполярный с изолированным затвором; ДТКИ – диод/биполярный транзистор с изолированным затвором; ТКИД – биполярный транзистор с изолированным затвором/диод; цифры: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 – максимальный ток; цифры: 1, 2, 5, 6, 10, 12 – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ (*100В). Например модуль МТКИД-75-17 имеет UКЭ =1700 В, I=2*75А, UКЭотк =3,5 В, PKmax =625 Вт.

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 (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ 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.

Читайте также:  Принцип работы АВР 10 кв

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.

Читайте также:  Принцип работы резистора простым языком

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.

IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

В настоящее время в электронике имеют большую популярность IGBT транзисторы. Если расшифровать эту аббревиатуру с английского языка, то это биполярный транзистор с изолированным затвором. Он применяется в виде электронного мощного ключа для систем управления приводами механизмов, в источниках питания.

Этот силовой транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.

Наибольшей популярностью пользуются IGBT в силовых цепях преобразователей частоты и электродвигателей переменного тока мощностью до 1 мегаватта. По вольтамперным свойствам эти транзисторы аналогичны биполярным моделям полупроводников, но качество и чистота коммутации у них намного больше.

Современные технологии изготовления дают возможность оптимизировать транзисторы по функциональным характеристикам. Уже разработаны полупроводники, способные работать при большем напряжении и величине тока.

Основные параметры
  • Управляющее напряжение – это разность потенциалов, способная управлять работой затвора.
  • Наибольший допустимый ток.
  • Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.
  • Ток отсечки эмиттер-коллектор.
  • Напряжение насыщения эмиттер-коллектор.
  • Входная емкость.
  • Выходная емкость.
  • Паразитная индуктивность.
  • Период задержки подключения.
  • Период задержки выключения.
  • Внутреннее сопротивление.

В регуляторах скорости применяются IGBT транзисторы с рабочей частотой в несколько десятков кГц.

Достоинства
  • Простая параллельная схема.
  • Отсутствие потерь.
  • Повышенная плотность тока.
  • Устойчивость к замыканиям.
  • Малые потери в открытом виде.
  • Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).
  • Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).
При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:
  • Правильный подбор тока защиты.
  • Выбор сопротивления затвора.
  • Использование обходных путей коммутации.
Устройство и работа

Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:
  • При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.
  • Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.

IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению. Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:
  • С помощью привязки к определенному значению напряжения. Это достигается тогда, когда драйвер затвора имеет постоянное напряжение. Главным способом является добавление в схему диода, имеющего малое падение напряжения (диод Шоттки). Значительный эффект получается путем уменьшения индуктивности цепи затвора и питания.
  • Ограничение значения напряжения затвора путем использования стабилитрона в схеме затвора и эмиттера. Неплохая эффективность получается за счет установки диодов к дополнительным клеммам модуля. Диоды применяются с малым разбросом и температурной зависимостью.
  • Подключение в цепь отрицательной обратной связи эмиттера. Такой способ доступен, когда подключен эмиттер драйвера затвора к клеммам эмиттера модуля.
Сфера использования

IGBT транзисторы чаще всего работают в сетях высокого напряжения до 6,5 киловольт для надежной и безопасной работы электроустановок в аварийном режиме при коротких замыканиях.

Вышеперечисленные свойства транзисторов дают возможность использовать их в частотно-регулируемых приводах, инверторах, импульсных регуляторах тока, а также в сварочных аппаратах.

Также IGBT применяются в системах мощных приводов управления электровозов, троллейбусов. Это повышает КПД и создает повышенную плавность хода.

Силовые транзисторы широко используются в цепях высокого напряжения. Они входят в состав схем посудомоечных машин, бытовых кондиционеров, автомобильного зажигания, блоков питания телекоммуникационного оборудования.

Проверка исправности

IGBT транзисторы проверяются в случаях ревизии при неисправностях электрического устройства. Проверку проводят с помощью мультитестера путем прозвонки электродов эмиттера и коллектора в двух направлениях, чтобы проверить отсутствие замыкания. Емкость входа эмиттер-затвор необходимо зарядить отрицательным напряжением. Это делается кратковременным касанием щупа мультиметра «СОМ» затвора и щупа «V/Ω/f» эмиттера.

Чтобы произвести проверку, нужно убедиться, работает ли в нормальном режиме транзистор. Для этого зарядим емкость на входе эмиттер-затвор положительным полюсом. Это делается коротким касанием щупа «V/Ω/f» затвора, а щупа «СОМ» эмиттера. Контролируется разность потенциалов эмиттера и коллектора, которая не должна превышать 1,5 вольта. Если напряжения тестера не хватит для открывания транзистора, то входную емкость можно зарядить от питания напряжением до 15 вольт.

Условное обозначение
Транзисторы имеют комбинированную структуру, то и обозначения у них соответствующие:

IGBT модули

Силовые транзисторы производятся не только в виде отдельных полупроводников, но и в виде модулей. Такие модули входят в состав частотных преобразователей для управления электромоторами.

Схема преобразователя частоты имеет технологичность изготовления выше, если в состав входят модули IGBT транзисторов. На изображенном модуле выполнен мост из двух силовых транзисторов.

IGBT транзисторы нормально функционируют при рабочей частоте до 50 кГц. Если частоту повышать, то повышаются и потери. Свои возможности силовые транзисторы проявляют максимально при напряжении выше 400 В. Поэтому такие транзисторы часто встречаются в мощных электрических приборах высокого напряжения, а также в промышленном оборудовании.

Из истории возникновения

Полевые транзисторы стали появляться в 1973 году. Затем разработали составной транзистор, который оснастили управляемым транзистором с помощью полевого полупроводника с затвором.

Первые силовые транзисторы имели недостатки, выражавшиеся в медленном переключении, низкой надежностью. После 90 годов и по настоящее время эти недостатки устранены. Силовые полупроводники имеют повышенное входное сопротивление, малый уровень управляющей мощности, малый показатель остаточного напряжения.

Сейчас существуют модели транзисторов, способных коммутировать ток до нескольких сотен ампер, с рабочим напряжением в тысячи вольт.

Транзистор IGBT-принцип работы, структура, основные характеристики

Силовой транзистор IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод-«затвор», который изолирован от силовой цепи. Полное название прибора: биполярный транзистор с изолированным затвором.

Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.

Рис. №1. Эффективность использования технологий на основе мощных IGBT-транзисторов

Преобладающее значение приобрело его использование в цепях силового предназначения для частотных преобразователей, для двигателей переменного тока, мощность, которых может доходить до 1 МВт. По своим вольтамперным характеристикам он считается аналогом биполярному транзистору, однако качественные энергетические показатели и чистота коммутационных действий намного выше, чем качество работы других полупроводниковых элементов.

Постоянно совершенствующиеся технологии позволяют улучшить качественные характеристики транзисторов. Созданы элементы, рассчитанные на большую величину напряжения, выше 3 кВ и большие значения тока до нескольких сотен ампер.

Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов

  • Напряжение управления – это разрешенная проводимость, которая отпирает или запирает прибор.
  • Открытое проводящее состояние характеризуется падением напряжения, определяемым пороговым напряжением и внутренним сопротивлением, величина максимально допустимого тока.

Для применения в конструкции регуляторов скорости используются транзисторы, рассчитанные на рабочие частоты в пределах до нескольких десятков килогерц.

Преимущества IGBT транзисторов

  • Высокая плотность тока.
  • Практически отсутствие потерь статического и динамического типа.
  • Отсутствие управляющего тока позволяет не прибегать к использованию гальванически изолированных схем для работы и управления с применением дискретных элементов и предоставляет возможность создания интегральных схем – драйверов.
  • Стойкость к воздействию короткого замыкания.
  • Относительная простота параллельного соединения.

При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока. Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Читайте также:  Принцип действия УЗО в однофазной сети

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Применение IGBT-транзистора

Одной из важных сфер использования солового транзистора – это использование в сетях с напряжением 6,5 кВ для создания безопасной и гарантированно надежной работы электроустановок в режиме короткого замыкания.

Для ограничения токов к. з. и приближению их к величине, которая не приведет к повреждениям оборудования. Они выполняют ограничение напряжения на затворе до уровня, не превышающем U = 15,3В. Это достигается с помощью применения следующих мер:

  1. Ограничение величины напряжения на затворе с помощью привязки к фиксированному уровню напряжения. Это возможно в том случае, если драйвер затвора обладает источником стабильного напряжения. Основной способ -добавление в схему диода с малым падением напряжения, например, диод Шотки. Высокая эффективность меры достигается снижением индуктивности цепи между клеммами источника и затвора.
  2. Ограничение значения напряжения на затворе с помощью присоединения в цепь между эмиттером и затвором — стабилитрона. Эффективность метода достигается максимально приближенным монтажом диодов к вспомогательным клеммам модуля. Для этой цели должны использоваться диоды с очень маленьким температурным дрейфом и разбросом, примером могут служить диоды ограничивающие переходные напряжения (диоды типа: 1,5КЕ6,8Са и 1,5КЕ7,5СА двунаправленные).
  3. Включение в схему отрицательной эмиттерной обратной связи. Этот метод возможен после подключения эмиттера драйвера затвора к основным клеммам эмиттера модуля. Эмиттерная связь обратного действия способствует эффективному ограничению напряжения на затворе.

Примеры расчета IGBT-транзистора

Выбор транзистора производится по следующим условиям, например, для преобразователей напряжения с резонансным контуром.

  • Транзистор должен переключался при значении нулевого тока.
  • Форма токовой синусоиды относительно силовых ключей должна быть аналогична к собственной частоте контура и составляет 100 кГц.
  • Амплитуда тока должна соответствовать средней мощности, например, как 40 А к 2000 Вт.
  • Определение максимального значения напряжения и максимальной частоты переключения транзисторов при условии, что плечи транзисторов должны работать в противофазе.

Для подбора драйвера IGBT транзистора руководствуются параметрами управления затвора, необходимого для коммутирования отпиранием и запиранием силового полупроводника. Для определения мощности управления нужно знать величину заряда затвора Q gate, частоту коммутации (fin) и реальный замеренный размах напряжения на выходе драйвера ΔVgate

Формула заряда затвора:

где время интегрирования должно не превышать время на управление выходных напряжений драйвера до их окончательных показателей, или при достижении выходного токового значения драйвера близкого к нулю.

Выбор максимальной величины тока управления затвором определяется по упрощенной формуле:

Зависит от осцилляции величины тока на выходе. Если осцилляция тока управления затвором есть, то значение пикового тока должно быть очень большим, а его величина должна определяться исключительно с помощью измерения.

Не менее важны условия учета размаха выходного напряжения. Наихудший случай – это максимальное значение размаха на затворе, измеряется по реально существующей схеме.

Необходим учет максимальной рабочей температуры, руководствуются значением характерным для условия естественной конверсии без использования принудительного охлаждения.

Максимальная частота коммутации, она должна быть максимально-допустимая. На выбор оказывает влияние результирующая выходная мощность и рассеиваемая мощность резистора, используемого в цепи затвора.

Максимальный ток управления зависит от величины пикового тока, который может протекать через реальный контур управления затвором без появления осцилляций.

Проверка мощных IGBT-транзисторов

Проверка силового транзистора возникает при необходимости ревизии сгоревшего транзистора, например, при ремонте сгоревшего сварочного аппарата или с целью подбора пары для устройства, с тем, чтобы убедится, что это не «перемаркер». Проверку осуществляем с помощью мультиметра: прозваниваем вывода коллектора и эмиттера в обоих направлениях, так мы убедимся в отсутствии короткого замыкания. Входную емкость затвор-эмиттер заряжаем отрицательным напряжением. Осуществляется с помощью кратковременного и одновременного прикосновения щупом «СОМ» мультиметра затвора и щупом от гнезда «V/Ω/f» — эмиттера.

Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.

Для проверки необходимо убедиться в рабочей функциональности транзистора. Заряжаем емкость на входе затвор-эмитер положительным напряжением. Это можно сделать, коротко прикоснувшись щупом мультиметра «V/Ω/f» — затвора, к щупу«СОМ» — эмиттера. Проверяем напряжение между коллектором и змиттером, оно должно быть не больше 1,5В, меньшая величина напряжения характерна для низковольтных транзисторов. Если напряжения мультиметра не хватает для открытия и проверки транзистора, входная емкость может заряжаться от источника постоянного напряжения со значением до 15 в.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

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

Добавить комментарий