Igbt транзисторы принцип работы

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 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.

д.т.н., профессор Л. А. Потапов

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

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.

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.

Igbt транзисторы принцип работы

Принцип работы силовых IGBT транзисторов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором широко используются в силовой электронике. Это надежные и недорогие компоненты, управляющиеся путем подачи напряжения на изолированный от цепи элемент. IGBT — транзистор, принцип работы которого чрезвычайно прост. Используется он в инверторах, системах управления электроприводами и импульсных источниках питания.

Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции.

К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:

• Максимально допустимый ток.
• Показатель управляющего напряжения.
• Внутреннее сопротивление.
• Период задержки подключения и выключения.
• Паразитная индуктивность.
• Входная и выходная емкость.
• Напряжение насыщения у эмиттера и коллектора.
• Ток отсечки эмиттера.
• Напряжение пробоя коллектора и эмиттера.

Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности.

Преимущества и недостатки

Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик.

Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами, характеристиками и многочисленными преимуществами:

• Возможность эксплуатации с высокой мощностью и повышенным напряжением.
• Работа при высокой температуре.
• Минимальные потери тока в открытом виде.
• Устойчивость к короткому замыканию.
• Повышенная плотность.
• Практически полное отсутствие потерь.
• Простая параллельная схема.

К недостаткам IGBT относят их высокую стоимость, что приводит к некоторому увеличению расходов на изготовление электроприборов и мощных блоков питания. При планировании схемы подключения с транзисторами этого типа необходимо учитывать имеющиеся ограничения по показателю максимально допустимого тока.

Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:

• Использование обходного пути коммутации.
• Выбор сопротивления затвора.
• Правильный подбор показателей тока защиты.

Электросхемы устройств должны разрабатывать исключительно профессионалы, что позволит обеспечить правильность работы техники, отсутствие коротких замыканий и других проблем с электроприборами. При наличии качественной схемы подключения, реализовать ее не составит труда, выполнив своими руками силовой блок, питание и различные устройства.

Устройство и принцип работы

Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

• К — коллектор.
• Э — эмиттер.
• З — затвор.

Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.

Основным назначением IGBT транзисторов является их приближение к безопасному значению токов замыкания. Такие токи могут ограничивать напряжение затвора различными методами.

Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.

Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.

В цепь может включаться эмиттер с отрицательной обратной связью. Подобное возможно в тех случаях, когда драйвер затвора подключён к клеммам модуля.

Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов. Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.

Сфера использования

Сегодня IGBT транзисторы применяются в сетях с показателем напряжения до 6,5 кВт, обеспечивая при этом безопасную и надежную работу электрооборудования. Имеется возможность использования инвертора, частотно регулируемых приводов, сварочных аппаратов и импульсных регуляторов тока.

Сверхмощные разновидности IGBT используются в мощных приводах управления троллейбусов и электровозов. Их применение позволяет повысить КПД, обеспечив максимально возможную плавность хода техники, оперативно управляя выходом электродвигателей на их полную мощность. Силовые транзисторы применяются в цепях с высоким напряжением. Они используются в схемах бытовых кондиционеров, посудомоечных машин, блоков питания в телекоммуникационном оборудовании и в автомобильном зажигании.

IGBT-транзисторы — основные компоненты современной силовой электроники

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц. Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

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.

Форум по обсуждению материала MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Умный аварийный резервный светодиодный источник света — простая схема автоматически включающейся LED подсветки.

Куда применить отжившие свой век моторы от винчестеров ПК — подключение такого двигателя и варианты идей.

Усилитель мощности звука с двойной термостабилизацией — теория работы схемы и практическое тестирование.