Что выбрать: MOSFET или IGBT -инвертор?

Не нужно на 100% разбираться в премудростях электротехники, чтобы высказать мнение по теме. Заголовок «MOSFET или IGBT?» напоминает старое соревнование форматов: VHS или DVD? Кто же победит? И пусть скажут, сравнение не корректное. Но, DVD формат великолепный, качество звука и изображения замечательные, а мы все так привыкли к старому доброму VHS…

Для тех, кто не понимает о чем идет речь, поясним. На сегодняшний день существует две технологии изготовления сварочных инверторов,

• первая основана на базе полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) и пользуется успехом на правах «старого, работающего и проверенного варианта»
• вторая — на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Это инновационная технология, новое поколение и тому подобное.

Возникает закономерный вопрос: что же выбрать старое, проверенное временем, или относительно новое, но более технологичное?

Попробуем привести пару доводов и, как говорится, ближе к «телу»…

Что не говори, а IGBT занимают меньший объем и при этом позволяют получить более высокую силу тока на выходе, они меньше нагреваются. Разве это не аргумент в пользу IGBT? Возражения же заключаются в том, что схемы IGBT покамест не идеально продуманы и т.д., разработчикам не было времени на это и они звучат «натянуто».

Конечно, если покупать инвертор для бытовой сварки, то не так уж важно, какие у него транзисторы внутри. Вообще не важно, что внутри. Главное, чтобы электрод поджигался нормально, дуга не прыгала туда-сюда, чтобы электрод не залипал. Так же, желательно, чтобы инвертор работал при пониженном напряжении в сети, не боялся забросов напряжения, чтобы желтая лампа перегрева редко зажигалась.

Если речь идет о небольших объемах бытовых работ, то практически любой инвертор в этом станет вашим надежным другом и товарищем, та же Ресанта или Сварог, или Фубаг, или отечественный Форсаж и т.д. и т.п.

Но что, если нужен профессиональный аппарат, когда варить придется целый день. Наше мнение, здесь лучше IGBT. Почему? Возьмем для примера сварочный аппарат РICO 180— это же прелесть, а не сварочник! Приведем в качестве примера его систему охлаждения. Она интеллектуальная и включается только тогда, когда транзисторы нагреваются. А в РICO даже после 15 и более минут сварки на небольших токах вентилятор не шелохнется. Это значит, что схемы холодные, корпус аппарата холодный. И все это IGBT, они греются менее интенсивно, чем MOSFET и на более высоких токах. Ну и что мне с этого, скажете Вы? Очень просто. Чем меньше работает вентилятор, тем лучше! Особенно если Вы работаете в запыленных помещениях. Основной враг инвертора — это пыль. Она является основной причиной досрочного выхода инверторов из строя. Соответственно, чем меньше пыли затягивается в сварочный аппарат, тем лучше! А это значит, чем дольше не включаются кулеры, тем лучше! Получить это можно только с

IGBT.

Несомненный плюс так же состоит в том, что достигается высокая мощность при еще более малом весе. Каждый грамм играет роль, если приходится целый день носить инвертор на плече.

Минус в свое время был в дороговизне ремонта IGBT  и невозможности подчас найти запчасти. Но время идет, техника совершенствуется, а то, что было раньше дорогим и недоступным, становится обыденным и легкозаменяемым! Так что наше мнение, будущее за новыми технологиями. А Вы как думаете? Стоит с этим согласиться?

Сегодня уже ни для кого не секрет кто выиграл в битве «VHS или DVD».

 

ТОРУС 255 замена MOSFET на IGBT — Ремонт и модернизация

dimmar, не вижу ни чего криминального. 

1. новые транзисторы проверить. Если остаются старые, то тестером они должны иметь идентичные параметры при прозвонке. Любые сопротивления или отсутствия должны быть в одном не только пределе но и очень близкие по параметрам. 

2. Выпаянные места, проверить на наличие дефектных мест. В плане того, что могут быть оторвавшиеся дорожки или повреждения межслойных пистонов. Следовательно, по мере возможности устранить или продублировать проводами. Но в таком случае, провода должны идти по соответствующим дорожкам, чтобы не получить разную длину проводника. 

3. взять осциллограф и посмотреть управляющий сигнал на каждом транзисторе. Конечно для удобства, транзисторов не должно быть. А так же нельзя допустить, чтобы затвор висел в воздухе. 

 

При выполнении всех условий, что все соответствует и все должно быть как надо, только после этого можно пробовать в работе источник, т.е. впаивать транзисторы и проверять в работе. Когда транзисторы все на месте, то еще раз проверить контакт всех дорожек и всех ножек транзисторов. Любой затвор повисший в воздухе, будет практически гарантом — взрыва. А так же отклонение управляющего сигнала он нормы, будет так же причиной взрыва. Сильное отклонение транзисторов по своим параметрам, может так же привести к взрыву новоустановленных или старых но вроде бы работающих транзисторов. 

Проверка тестером, если есть малейшее подозрение — однозначное выкидывание транзистора. Были случаи когда при первичной проверке, транзистор показывал КЗ, но повторный замер, вроде бы как живой. Вот такие ставить нельзя. Если тестером. Если городить стенд, то тут опыта нет, надо смотреть. Бывало, что не работающий транзистор в схеме, после проверки даже без выпаивания, его запускал и он работал.  

 

Еще, видел в интернете, у людей, контактные площадки для охлаждения не имели контакта с радиатором, т.е. часть корпуса изолятора выступала и не позволяла транзистору иметь контакт с радиатором. 

 

IRFP360 по даташиту, не имеет другого корпусного исполнения. Поэтому я не думаю, что это подделка. По ногам транзистора перед его пайкой, если он новый, можно посмотреть его на качество исполнения. Но даже совсем подозрительные и те ни когда не подводили, если в целом прозванивались как положено. А вот управляющий сигнал, его искажение хотя бы на одном транзисторе, приводило к взрыву. В начале карьеры, не один транзистор таким образом был угроблен. Без осциллографа, вероятность починки 50\50. Каждый канал транзистора нужно подробно проверить тестером, а иногда выпаивать, а иногда только заменой на новую деталь. Осциллограф сокращает время на поиск проблемы но и то не всегда. А тестером в некоторых случая, можно вечность искать проблему.   

Применение IGBT и MOSFET в аппаратах ручной дуговой сварки

Спрос на недорогие малогабаритные сварочные аппараты растет, особенно в развивающихся странах. В аппаратах ручной дуговой сварки плавящимся электродом (Manual Metal Arc — MMA) и дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертного газа (Tungsten Inert Gas — TIG) мощностью 1,5–6 кВт широко применяются дискретные IGBT и MOSFET. В большинстве случаев в таких аппаратах используется ШИМ (широтно-импульсная модуляция) с управлением по току. А строят их на базе простых топологий — двухтранзисторной прямоходовой (Two Transistor Forward — TTF), полумостовой (Half Bridge — HB) и мостовой (Full Bridge — FB) — обычно с включением при нулевом токе (Zero Current Switching — ZCS) и жестким выключением (hard-switching turn-off). Для таких конфигураций одним из наиболее важных параметров при разработке является высокая рабочая частота, что позволяет улучшить технические характеристики и снизить стоимость на системном уровне. Благодаря значительному снижению потерь при выключении, IGBT компании Infineon, выполненные по технологии Trenchstop 5, можно отнести к наиболее многообещающим кандидатам на использование в сварочных аппаратах, так как они могут в полной мере удовлетворить предъявляемым жестким требованиям.

Транзисторы IGBT Trenchstop 5, работая при более высоких частотах, обладают к тому же лучшими характеристиками, чем IGBT предыдущих поколений. Если печатная плата выполнена должным образом, то их без всяких доработок можно устанавливать вместо традиционных высоковольтных MOSFET, рабочие частоты которых достигают 100 кГц. Увеличение частоты переключений ведет к снижению габаритов магнитных компонентов и уменьшению числа конденсаторов. Однако простая замена IGBT ранних семейств не всегда возможна из-за потенциальных проблем, связанных с более высокими di/dt и dv/dt, такими как высоковольтный выброс при выключении, осцилляции («звон») при включении или ухудшение показателей электромагнитной совместимости.

 

Улучшения в полумостовой топологии

Значительное снижение потерь при выключении может привести к существенным механическим изменениям на первичной стороне преобразователя, а именно, к упрощению механической части. В свою очередь, это потребует дальнейшей модернизации платы и схемы управления затворами. Следовательно, габариты и вес сварочного аппарата могут быть значительно уменьшены. На рис. 1 показан разработанный для решения данной задачи демонстрационный прототип сварочного аппарата. Это однофазная полумостовая MMA/TIG сварочная установка мощностью 4,5 кВт. Здесь, благодаря адекватной разводке силового и сигнального контуров на печатной плате, возможна прямая замена двух 40-A/600-В IGBT, используемых в одном ключе, одним транзистором IGBT Trenchstop 5 типа IKW50N65H5.

Рис. 1.
a) Демонстрационный прототип полумостового сварочного аппарата мощностью 4,5 кВт;
б) соответствующие осциллограммы с временной разверткой 10 мкс/дел.

Более того, из-за уменьшения потерь на проводимость и переключение сильно снижается температура транзисторов, так что допустимо даже использовать изоляционные пленки. На рис. 2 приведены профили температур на корпусах IGBT компании Infineon, изготавливаемых по разным технологиям. Хорошо видно, что значения температур заметно различаются. В частности, у транзисторов Trenchstop 5 температура на 40 К ниже, чем у транзисторов Trenchstop более ранних семейств.

Рис. 2. Результаты тепловых испытаний различных семейств IGBT компании Infineon на прототипе 4,5-кВт сварочного аппарата

Экспериментально определялось сопротивление в цепи затвора R_G(off), при котором выброс напряжения при выключении не превышал 80% от напряжения пробоя, т. е. максимальное напряжение между коллектором и эмиттером V_CE = 520 В. Чем ниже паразитная индуктивность платы, тем при меньших величинах R_G(off) можно удовлетворить указанным ограничениям. Также экспериментально изучались осцилляции напряжения между затвором и эмиттером. Приемлемыми в этих экспериментах считались колебания, соответствующие критерию: –25 В< ∆V_GE(max)< 25 В, длительность не более 200 нс.

Можно использовать транзисторы Trenchstop 5 на неоптимизированных печатных платах, подстраивая пассивные компоненты в цепи затвора. В этом случае также можно ограничить выбросы V_CE и V_GE в допустимых пределах, установив в цепь затвора резистор большей величины и фиксирующую цепочку C_GE/R_CE для подавления «звона». Однако такое решение в значительной степени нивелирует те преимущества, которые дает использование IGBT Trenchstop 5. Это подчеркивает важность надлежащей разводки печатной платы.

Применение IGBT Trenchstop 5 в сборках для поверхностного монтажа с изолированной подложкой позволяет еще больше снизить паразитную индуктивность печатной платы. В результате получается более компактное решение с одним теплоотводом для обоих IGBT — как верхнего, так и нижнего плеча. Следовательно, требуется специальный изолятор для IGBT, подобный IMS- или Al2O3-керамике с дополнительной усиленной изоляцией. Внедрение этих технических изменений ведет к значительному снижению габаритов и веса всего аппарата. Пример приведен на рис. 3. Здесь показан второй демонстрационный прототип полумостового MMA/TIG сварочного аппарата, у которого, благодаря новой конструкции, габариты по сравнению с предыдущим прототипом уменьшены на 35%, а вес — на 15%.

Рис. 3. Второй демонстрационный прототип 4,5-кВт сварочного аппарата

Данная концепция позволяет добиться суммарной паразитной индуктивности величиной всего 40 нГн. Можно уменьшить паразитную индуктивность еще на 20 нГн, если взять другой вариант сборки и использовать мостовую топологию. Снижение паразитной индуктивности проводников печатной платы позволяет работать на частотах свыше 100 кГц, что предполагает возможность использования единого теплоотвода, увеличения плотности мощности и уменьшения габаритов трансформатора вместе с количеством необходимых конденсаторов в звене постоянного тока (DC-Link).

 

Улучшения в мостовой топологии

На рис. 4 в качестве еще одного примера показан высокочастотный мостовой сварочный аппарат мощностью 3,5 кВт. Цель данного проекта — продемонстрировать, что замена в мостовой топологии традиционных MOSFET транзисторами IGBT Trenchstop 5 ведет к снижению стоимости, улучшению технологичности и повышению надежности сварочного аппарата.

Рис. 4.
a) Демонстрационный прототип мостового сварочного аппарата мощностью 3,5 кВт;
б) соответствующие осциллограммы с временной разверткой 2 мкс/дел.

Опять же, ключевым фактором, позволяющим создать новую конструкцию и улучшить архитектуру системы, являются низкие потери при выключении, присущие IGBT Trenchstop 5. Эта особенность, наряду с более высокой нагрузочной способностью IGBT по току по сравнению с MOSFET, позволяет заменить три традиционных высоковольтных MOSFET-прибора одним IGBT. Благодаря меньшему числу требуемых транзисторов силовой и управляющий каскады можно легко интегрировать на одной небольшой печатной плате, а не делать отдельную силовую плату с размещенной над ней платой управления. По сравнению с этой распространенной конструкцией общая площадь платы, необходимая для новой конструкции, на треть меньше, чем в прежней версии. Более того, значительное снижение паразитной индуктивности в силовом контуре позволяет осуществлять выключение транзисторов Trenchstop 5 при более высоком значении di/dt, продолжая удерживать выброс напряжения на рекомендуемом в спецификации уровне.

Прототип был разработан с целью упрощения архитектуры и повышения плотности мощности. На конструкции прототипа можно показать, что процесс сборки становится проще, а значит, улучшается технологичность, что важно для массового производства, и снижается стоимость. По сравнению с коммерческим сварочным аппаратом уменьшение числа компонентов и оптимизация платы привели к снижению стоимости материалов примерно на 30%, уменьшению размеров на 30% и снижению веса на 35%.

Для оценки технических характеристик данной мостовой платформы сварочных аппаратов на высоких частотах были проведены ее испытания при частоте переключения 100 кГц. Целью испытаний были измерения максимально возможного выходного тока при сохранении одной и той же разности температур корпуса IGBT и окружающей среды. В то же самое время проводился мониторинг коэффициента полезного действия (эффективности) и максимальных выбросов напряжений коллектор-эмиттер и затвор-эмиттер. Чтобы сравнение было корректным, схема управления не менялась до тех пор, пока система не становилась нестабильной или не срабатывала триггерная защита при возникновении аварийной ситуации. Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица. Результаты лабораторных испытаний прототипа в конфигурации полного моста

IGBT	Максимальный выходной ток, А	КПД при заданном выходном токе, % (А)	Выброс VCE при заданном выходном токе, В (А)	Цепь затвора
TRENCHSTOP 5	200	84,7 (100) 83 (160) 83 (200)	440 (200) 431 (160) 420 (120)	RG(OFF) = 6,2 Ом RG(ON) = 20 Ом CGE = 20 пФ
Конкурент 1	150	82,1 (150)	406 (160)	RG(OFF) = 6,2 Ом RG(ON) = 20 Ом CGE = 20 пФ
Конкурент 2	120	80,4 (120)	387 (120)	RG(OFF) = 33 Ом RG(ON) = 20 Ом CGE = 1 нФ

На частоте 100 кГц транзисторы Trenchstop 5 демонстрируют характеристики, недостижимые для других сравнимых приборов. Транзисторы Trenchstop 5 обеспечивают выходной ток на 30% выше, чем наилучший из альтернативных приборов, и на 70% выше, чем второй из лучших конкурентов.

При максимальном выходном токе сварочного аппарата эффективность Trenchstop 5 на 1–3% выше, чем у любых других кандидатов. Это позволяет сварочному аппарату работать с более высоким коэффициентом полезного действия.

Слегка более высокий выброс напряжения между коллектором и эмиттером, что было обнаружено в полумостовой конфигурации, в большинстве случаев не вызывает проблем. Во-первых, абсолютное значение данного выброса ограничено значением 440 В при токе 200 А, и во-вторых, у IGBT Trenchstop 5 имеется дополнительный 50-В запас по напряжению пробоя в отличие от большинства других доступных приборов.

Особенности применения драйверов MOSFET и IGBT — Компоненты и технологии

Введение

Силовые транзисторы IGBT и MOSFET стали основными элементами, применяемыми в мощных импульсных преобразователях. Их уникальные статические и динамические характеристики позволяют создавать устройства, способные отдать в нагрузку десятки и даже сотни киловатт при минимальных габаритах и КПД, превышающем 95 %.

Общим у IGBT и MOSFET является изолированный затвор, в результате чего эти элементы имеют схожие характеристики управления. Благодаря отрицательному температурному коэффициенту тока короткого замыкания появилась возможность создавать транзисторы, устойчивые к короткому замыканию. Сейчас транзисторы с нормированным временем перегрузки по току выпускаются практически всеми ведущими фирмами.

Отсутствие тока управления в статических режимах позволяет отказаться от схем управления на дискретных элементах и создать интегральные схемы управления — драйверы. В настоящее время ряд фирм, таких как International Rectifier, Hewlett-Packard, Motorola, выпускает широкую гамму устройств, управляющих одиночными транзисторами, полумостами и мостами — двух- и трехфазными. Кроме обеспечения тока затвора, они способны выполнять и ряд вспомогательных функций, таких как защита от перегрузки по току и короткого замыкания (
Overcurrent Protection, Short Circuit Protection) и падения напряжения управления (
Under Voltage LockOut — UVLO). Для ключевых элементов с управляющим затвором падение напряжения управления является опасным состоянием. При этом транзистор может перейти в линейный режим и выйти из строя из-за перегрева кристалла.

Пользователям бывает нелегко разобраться в широкой гамме микросхем, выпускаемых сейчас для использования в силовых схемах, несмотря на схожесть их основных характеристик. В данной статье рассматриваются особенности использования наиболее популярных драйверов, выпускаемых различными фирмами.

Режимы короткого замыкания

Основной вспомогательной функцией драйверов является защита от перегрузки по току. Для лучшего понимания работы схемы защиты необходимо проанализировать поведение силовых транзисторов в режиме короткого замыкания (или КЗ — привычная для разработчиков аббревиатура).

Причины возникновения токовых перегрузок разнообразны. Чаще всего это аварийные случаи, такие как пробой на корпус или замыкание нагрузки.

Перегрузка может быть вызвана и особенностями схемы, например переходным процессом или током обратного восстановления диода оппозитного плеча. Такие перегрузки должны быть устранены схемотехническими методами: применением цепей формирования траектории (снабберов), выбором резистора затвора, изоляцией цепей управления от силовых шин и др.

Включение транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки

Принципиальная схема и эпюры напряжения, соответствующие этому режиму, приведены на рис. 1 а и 2. Все графики получены при анализе схем с помощью программы PSpice. Для анализа были использованы усовершенствованные модели транзисторов MOSFET фирмы International Rectifier и макромодели IGBT и драйверов, разработанные автором статьи.

Рис. 1. Режимы короткого замыкания

Максимальный ток в цепи коллектора транзистора ограничен напряжением на затворе и крутизной транзистора. Из-за наличия емкости в цепи питания внутреннее сопротивление источника питания не влияет на ток КЗ. В момент включения ток в транзисторе нарастает плавно из-за паразитной индуктивности LS в цепи коллектора (средний график на рис. 2). По этой же причине напряжение имеет провал (нижний график). После окончания переходного процесса к транзистору приложено полное напряжение питания, что приводит к рассеянию огромной мощности в кристалле. Режим КЗ необходимо прервать через некоторое время, необходимое для исключения ложного срабатывания. Это время обычно составляет 1–10 мкс. Естественно, что транзистор должен выдерживать перегрузку в течение этого времени.

Рис. 2

Короткое замыкание нагрузки у включенного транзистора

Принципиальная схема и эпюры напряжения, соответствующие этому режиму, приведены на рис. 1 б и 3. Как видно из графиков, процессы в этом случае происходят несколько иначе. Ток, как и в предыдущем случае, ограниченный параметрами транзистора, нарастает со скоростью, определяемой паразитной индуктивностью Ls (средний график на рис. 3). Прежде чем ток достигнет установившегося значения, начинается рост напряжения Vce (нижний график). Напряжение на затворе возрастает за счет эффекта Миллера (верхний график). Соответственно возрастает и ток коллектора, который может превысить установившееся значение. В этом режиме кроме отключения транзистора необходимо предусмотреть и ограничение напряжения на затворе.

Рис. 3

Как было отмечено, установившееся значение тока КЗ определяется напряжением на затворе. Однако уменьшение этого напряжения приводит к повышению напряжения насыщения и, следовательно, к увеличению потерь проводимости. Устойчивость к КЗ тесно связана и с крутизной транзистора. Транзисторы IGBT с высоким коэффициентом усиления по току имеют низкое напряжение насыщения, но небольшое допустимое время перегрузки. Как правило, транзисторы, наиболее устойчивые к КЗ, имеют высокое напряжение насыщения и, следовательно, высокие потери.

Допустимый ток КЗ у IGBT гораздо выше, чем у биполярного транзистора. Обычно он равен 10-кратному номинальному току при допустимых напряжениях на затворе. Ведущие фирмы, такие как International Rectifier, Siemens, Fuji, выпускают транзисторы, выдерживающие без повреждения подобные перегрузки. Этот параметр оговаривается в справочных данных на транзисторы и называется Short Circuit Ration, а допустимое время перегрузки — tsc —
Short Circuit Withstand Time.

Быстрая реакция схемы защиты вообще полезна для большинства применений. Использование таких схем в сочетании с высокоэкономичными IGBT повышают эффективность работы схемы без снижения надежности.

Применение драйверов для защиты от перегрузок

Рассмотрим методы отключения транзисторов в режиме перегрузки на примере драйверов производства фирм International Rectifier, Motorola и Hewlett-Packard, так как эти микросхемы позволяют реализовать функции защиты наиболее полно.

Драйвер верхнего плеча

Рис. 4. Структура драйвера IR2125

На рис. 4 приведена структурная схема, а на рис. 5 — типовая схема подключения драйвера IR2125 с использованием функции защиты от перегрузки. Для этой цели используется вывод 6 — CS. Напряжение срабатывания защиты — 230 мВ. Для измерения тока в эмиттере установлен резистор RSENSE, номинал которого и делителя R1, R4 определяют ток защиты.

Рис. 5. Схема включения IR2125

Как было указано выше, если при появлении перегрузки уменьшить напряжение на затворе, период распознавания аварийного режима может быть увеличен. Это необходимо для исключения ложных срабатываний. Данная функция реализована в микросхеме IR2125. Конденсатор С1, подключенный к выводу ERR, определяет время анализа состояния перегрузки. При С1 = 300 пФ время анализа составляет около 10 мкс (это время заряда конденсатора до напряжения 1,8 В — порогового напряжения компаратора схемы
ERROR TIMING драйвера). На это время включается схема стабилизации тока коллектора, и напряжение на затворе снижается. Если состояние перегрузки не прекращается, то через 10 мкс транзистор отключается полностью.

Отключение защиты происходит при снятии входного сигнала, что позволяет пользователю организовать триггерную схему защиты. При ее использовании особое внимание следует уделить выбору времени повторного включения, которое должно быть больше тепловой постоянной времени кристалла силового транзистора. Тепловая постоянная времени может быть определена по графику теплового импеданса Zthjc для одиночных импульсов.

Описанный способ включения транзистора имеет свои недостатки. Резистор RSENSE должен быть достаточно мощным и иметь сверхмалую индуктивность. Серийно выпускаемые витые мощные резисторы обычно имеют недопустимо высокую паразитную индуктивность. Специально для прецизионного измерения импульсных токов фирма
CADDOCK выпускает резисторы в корпусах ТО-220 и ТО-247. Кроме того, измерительный резистор создает дополнительные потери мощности, что снижает эффективность схемы. На рис. 6 приведена схема, свободная от указанных недостатков. В ней для анализа ситуации перегрузки используется зависимость напряжения насыщения от тока коллектора. Для MOSFET транзисторов эта зависимость практически линейна, так как сопротивление открытого канала мало зависит от тока стока. У IGBT график Von = f(Ic) нелинеен, однако точность его вполне достаточна для выбора напряжения, соответствующего току требуемому защиты.

Рис. 6

Для анализа состояния перегрузки по напряжению насыщения измерительный резистор не требуется. При подаче положительного управляющего сигнала на затвор на входе защиты драйвера SC появляется напряжение, определяемое суммой падения напряжения на открытом диоде VD2 и на открытом силовом транзисторе Q1 и делителем R1, R4, который задает ток срабатывания. Падение напряжения на диоде практически неизменно и составляет около 0,5 В. Напряжение открытого транзистора при выбранном токе короткого замыкания определяется из графика Von = f(Ic). Диод VD4, как и VD1, должен быть быстродействующим и высоковольтным.

Кроме защиты от перегрузки по току драйвер анализирует напряжение питания входной части VСС и выходного каскада VB, отключая транзистор при падении VB ниже 9 В, что необходимо для предотвращения линейного режима работы транзистора. Такая ситуация может возникнуть как при повреждении низковольтного источника питания, так и при неправильном выборе емкости С2. Величина последней должна вычисляться исходя из значений заряда затвора, тока затвора и частоты следования импульсов. Для расчета значения бутстрепной емкости Cb в документации фирмы International Rectifier рекомендуются следующие формулы:

Cb = 15*2*(2*Qg + Igbs/f + It)/(Vcc – Vf – Vls),

It = (Ion + Ioff)*tw.

где

Ion и Ioff — токи включения и выключения затвора,

tw = Qg/Ion — время коммутации,

Qg — заряд затвора,

f — частота следования импульсов,

Vcc — напряжение питания,

Vf — прямое падение напряжения на диоде зарядового насоса (VD1 на рис. 6),

Vls — прямое падение напряжения на оппозитном диоде (VD3 на рис. 6),

Igbs — ток затвора в статическом режиме.

При невозможности питания драйвера от бутстрепной емкости необходимо использовать «плавающий» источник питания.

Драйвер трехфазного моста

На рис. 7 приведена схема подключения драйвера трехфазного моста IR213* с использованием функции защиты от перегрузки. Для этой цели используется вход ITR. Напряжение срабатывания защиты — 500 мВ. Для измерения полного тока моста в эмиттерах установлен резистор RSENSE, номинал которого вместе с делителем R2, R3 определяет ток защиты.

Рис. 7. Схема включения IR2130

Драйвер IR2130 обеспечивает управление MOSFET и IGBT транзисторами при напряжении до 600 В, имеет защиту от перегрузки по току и от снижения питающих напряжений. Схема защиты содержит полевой транзистор с открытым стоком для индикации неисправности (FAULT). Он также имеет встроенный усилитель тока нагрузки, что позволяет вырабатывать контрольные сигналы и сигналы обратной связи. Драйвер формирует время задержки (tdt —
deadtime) между включением транзисторов верхнего и нижнего плеча для исключения сквозных токов. Это время составляет от 0,2 до 2 мкс для различных модификаций.

Для правильного использования указанной микросхемы и создания на ее основе надежных схем надо учитывать несколько нюансов.

Особенностью драйверов IR213* является отсутствие функции ограничения напряжения на затворе при КЗ. По этой причине постоянная времени цепочки R1C1, предназначенной для задержки включения защиты, не должна превышать 1 мкс. Разработчик должен знать, что отключение моста произойдет через 1 мкс после возникновения КЗ, в результате чего ток (особенно при активной нагрузке) может превысить расчетное значение. Для сброса защиты необходимо отключить питание драйвера или подать на входы нижнего уровня запирающее напряжение (высокого уровня). Отметим также, что среди микросхем данной серии имеется драйвер IR2137, в котором предусмотрена защита по напряжению насыщения верхних транзисторов и формируется необходимое время задержки срабатывания этой защиты. Такая защита очень важна для драйверов, управляющих трехфазными мостовыми схемами, так как при возникновении пробоя на корпус ток КЗ течет, минуя измерительный резистор RSENSE. В этой микросхеме предусмотрено раздельное подключение резисторов затвора для включения, отключения и аварийного выключения, что позволяет реализовать наиболее полно все динамические особенности транзисторов с изолированным затвором.

Ток включения/выключения для IR213* составляет 200/420 мА (120/250 мА для IR2136). Это необходимо учитывать при выборе силовых транзисторов и резисторов затвора для них. В параметрах на транзистор указывается величина заряда затвора (обычно в нК), которая определяет при данном токе время включения/выключения транзистора. Длительность переходных процессов, связанных с переключением, должна быть меньше времени задержки tdt, формируемого драйвером. Применение мощных транзисторов может также привести к ложному открыванию и возникновению сквозного тока из-за эффекта Миллера. Уменьшение резистора затвора или использование резисторов затвора, раздельных для процессов включения и выключения, не всегда решает проблему вследствие недостаточного тока выключения самого драйвера. В этом случае необходимо использование буферных усилителей.

Преимуществом микросхем производства International Rectifier является то, что эти устройства способны выдерживать высокие перепады напряжения между входной и выходной частью. Для драйверов серии IR21** это напряжение составляет 500–600 В, что позволяет управлять транзисторами в полумостовых и мостовых схемах при питании от выпрямленного промышленного напряжения 220 В без гальванической развязки. Для управления транзисторами в схемах, рассчитанных на питание от выпрямленного напряжения 380 В, International Rectifier выпускает драйверы серии IR22**. Эти микросхемы работают при напряжении выходной части до 1200 В. Все драйверы International Rectifier выдерживают фронты наведенного напряжения до 50 В/нс. Этот параметр называется dv/dt immune. Он свидетельствует о высокой устойчивости к режиму защелкивания, который представляет исключительную опасность для импульсных высоковольтных схем.

Драйвер нижнего плеча

Для управления транзисторами нижнего плеча хорошую альтернативу представляют микросхемы, выпускаемые фирмой Motorola. Структурная схема одной из них — МС33153 приведена на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема MC33153

Особенностью данного драйвера является возможность использования двух способов защиты (по току и напряжению насыщения) и разделение режима перегрузки и режима короткого замыкания. Предусмотрена также возможность подачи отрицательного напряжения управления, что может быть очень полезно для управления мощными модулями с большими значениями заряда затвора. Отключение при падении напряжения управления — UVLO осуществляется на уровне 11 В.

Вывод 1 (
Current Sense Input) предназначен для подключения токового измерительного резистора. В микросхеме этот вывод является входом двух компараторов — с напряжением срабатывания 65 и 130 мВ. Таким образом, в драйвере анализируется состояние перегрузки и короткого замыкания. При перегрузке срабатывает первый компаратор (
Overcurrent Comparator) и отключает сигнал управления затвором. Сброс защиты производится при подаче запирающего сигнала (высокого уровня, так как вход Input — инвертирующий). При этом сигнал неисправности на выход (
Fault Output) не подается. Если ток превышает заданный в два раза, это расценивается как КЗ. При этом опрокидывается второй компаратор (
Short Circuit Comparator), и на контрольном выходе появляется сигнал высокого уровня. По этому сигналу контроллер, управляющий работой схемы, должен произвести отключение всей схемы. Время повторного включения должно определяться, как было сказано выше, тепловой постоянной времени силовых транзисторов.

Вывод 8 (
Desaturation Input) предназначен для реализации защиты по напряжению насыщения. Напряжение срабатывания по этому входу — 6,5 В. Этот же вход предназначен для подключения конденсатора Cblank, формирующего время задержки срабатывания защиты. Такая задержка необходима, поскольку после подачи отпирающего напряжения на затвор на транзисторе некоторое время, пока идет восстановление оппозитного диода, поддерживается высокое напряжение.

Рис. 9. Защита по напряжению насыщения

На рис. 9 и 10 показаны схемы подключения МС33153 с использованием защиты по напряжению насыщения и току коллектора. В обеих схемах использованы оптопары для развязки сигнала управления и сигнала ошибки. В схеме на рис. 10 показан транзистор IGBT со специальным токовым выходом. Как правило, IGBT не имеют такого вывода, и измерительный резистор устанавливается непосредственно в силовую цепь эмиттера. При этом необходимо учесть, что этот резистор должен иметь минимальную паразитную индуктивность, а номинал его должен быть выбран с учетом необходимого тока срабатывания защиты. Иногда в качестве датчика тока целесообразно применить отрезок высокоомного провода, например манганинового или нихромового. Обратите внимание, что порог срабатывания схем защиты микросхем Motorola ниже, чем International Rectifier, что позволяет использовать меньшие измерительные резисторы и снизить потери мощности на них. Однако в этом случае предъявляются повышенные требования к помехозащищенности.

Рис. 10. Защита по току

Драйвер с гальванической развязкой

Гальваническая развязка бывает необходима в схемах, где мощный силовой каскад питается от сетевого напряжения, а сигналы управления вырабатываются контроллером, связанным по шинам с различными периферийными устройствами. Изоляция силовой части и схемы управления в таких случаях снижает коммутационные помехи и позволяет в экстремальных случаях защитить низковольтные схемы.

Рис. 11. Структурная схема HCPL316

На наш взгляд, одной из наиболее интересных микросхем для данного применения является HCPL316 производства фирмы Hewlett-Packard. Его структура приведена на рис. 11, а схема подключения — на рис. 12.

Рис. 12. Схема подключения HCPL316

Сигнал управления и сигнал неисправности имеют оптическую развязку. Напряжение изоляции — до 1500 В. В драйвере предусмотрена защита только по напряжению насыщения (вывод 14 — DESAT). Интересной особенностью является наличие прямого и инверсного входа, что упрощает связь с различными типами контроллеров. Так же как и в случае с МС33153 микросхема может вырабатывать двуполярный выходной сигнал, причем пиковый выходной ток может достигать 3 А. Благодаря этому драйвер способен управлять IGBT транзисторами с током коллектора до 150 А, что является его большим преимуществом по сравнению с аналогичными устройствами.

Вспомогательные схемы

В высоковольтных драйверах фирмы International Rectifier благодаря низкому потреблению питание выходных каскадов может осуществляться с помощью так называемых «бутстрепных» емкостей небольших номиналов. Если такой возможности нет, необходимо использовать «плавающие» источники питания. В качестве таких источников дешевле всего применять многообмоточные трансформаторы с выпрямителем и стабилизатором на каждой обмотке. Естественно, если вы хотите иметь двуполярный выходной сигнал, то и каждый такой источник должен быть двуполярным. Однако более изящным решением является использование изолирующих DC-DC конверторов, например серии DCP01* производства Burr-Brown. Эти микросхемы рассчитаны на мощность до 1Вт и могут формировать двуполярный выходной сигнал из однополярного входного. Напряжение развязки — до 1 кВ. Изоляция осуществляется с помощью трансформаторного барьера на частоте 800 кГц. При использовании нескольких микросхем они могут синхронизироваться по частоте.

В силовых приводах часто бывает необходимо иметь сигнал, пропорциональный выходному току, для формирования обратных связей. Эта задача решается разными способами: с помощью трансформаторов тока, шунтов и дифференциальных усилителей и т. д. Все эти методы имеют свои недостатки. Для наиболее успешного решения задачи формирования токового сигнала и связи его с контроллером фирма International Rectifier разработала микросхемы — токовые сенсоры IR2171 и IR2172, в которых токовый сигнал преобразуется в ШИМ-сигнал. Схема включения IR2171 приведена на рис. 13. Микросхема выдерживает перепад напряжения до 600 В и питается от «бутстрепной» емкости. Несущая частота ШИМ — 35 кГц для IR2171 и 40 кГц для IR2172. Диапазон входных напряжений ±300 мВ. Выходное напряжение снимается с открытого коллектора, что позволяет легко подключить оптическую развязку.

Описать все микросхемы, выпускаемые сейчас в мире для использования в силовых приводах, вряд ли возможно. Однако даже приведенные сведения должны помочь разработчику сориентироваться в океане современной элементной базы. Главный вывод из всего сказанного можно сделать следующий: не пытайтесь сделать что-нибудь на дискретных элементах, пока не будете уверены в том, что никто не выпускает интегральную микросхему, решающую вашу задачу.

Литература

1. Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBTs. AN-944.
2. Application Characterization of IGBTs. INT990.
3. IGBT Characteristics. AN-983.
4. Short Circuit Protection. AN-984.
5. HV Floating MOS-Gate Driver Ics. AN-978.
6. Motorola MC33153 Technical Data.
7. Hewlett Packard HCPL316 Technical Data.
8. Burr Brown DCP011515 Technical Data.
9. Иванов В. В., Колпаков А. Применение IGBT. Электронные компоненты, 1996, № 1.

схема и преимущество использования в сварке

Применение высоковольтных мощных полупроводников позволило создавать компактные производительные сварочные инверторы. Последним словом в этой области после MOSFET инверторов стали сварочные аппараты на IGBT транзисторах.

Полевые полупроводники

Используемые в инверторах полупроводники по MOSFET технологии – это полевые силовые транзисторы с изолированным затвором. Управление полупроводником осуществляется напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, управляемых током. Канал ключа имеет высокую проводимость 1 мОм. В закрытом виде у них огромное входное сопротивление.

Изначально полевые полупроводники использовались и до сих пор применяются как ключи. В схемах импульсных источников питания применяются полевики с индуцированным затвором. В таком исполнении при нулевом напряжении на затвор-исток канал закрыт.

Для открытия ключа требуется подать потенциал определенной полярности. Для управления ключом не требуется силовых источников. Данные полупроводники часто используются в источниках питания и инверторах.

Биполярный прибор

IGBT – это биполярный транзистор с изолированным затвором, применяемый в инверторе. Фактически он состоит из двух транзисторов на одной подложке. Биполярный прибор образует силовой канал, а полевой является каналом управления.

Соединение полупроводников двух видов позволяет совместить в одном устройстве преимущества полевых и биполярных приборов. Комбинированный прибор может, как биполярный, работать с высокими потенциалами, проводимость канала обратно пропорциональна току, а не его квадрату, как в полевом транзисторе.

При этом IGBT транзистор имеет экономичное управление полевого прибора. Силовые электроды называются, как в биполярном, а управляющий получил название затвора, как в МОП приборе.

IGBT транзисторы для сварочных инверторов и силовых приводов, где приходится работать при высоких напряжениях, стали использовать, как только отладили технологию их производства. Они сократили габариты, увеличили производительность и мощность инверторов. Иногда они заменяют даже тиристоры.

В IGBT инверторе для обеспечения работы мощных переключателей применяются драйверы – микросхемы, усиливающие управляющий сигнал и ускоряющие быструю зарядку затвора.

Некоторые модели IGBT транзисторов работают с напряжением от 100 В до 10 кВ и токами от 20 до 1200 А. Поэтому их больше применяют в силовых электроприводах, сварочных аппаратах.

Полевые транзисторы больше применяют в импульсных источниках и однофазных сварочных инверторах. При токовых параметрах 400-500 В и 30-40 А они имеют лучшие рабочие характеристики. Но так как IGBT приборы могут применяться в более тяжелых условиях, их все чаще применяют в сварочных инверторах.

Применение в сварке

Простой сварочный инвертор представляет собой импульсный источник питания. В однофазном инверторном источнике питания переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 или 60 Гц выпрямляется с помощью мощных диодов, схема включения мостовая.

Затем инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, но уже высокой частоты (от 30 кГц до 120 кГц). Проходя через понижающий высокочастотный трансформатор (преобразователь), напряжение понижается до нескольких десятков вольт. Потом этот ток преобразуется обратно в постоянный.

Все преобразования необходимы для уменьшения габаритов сварочного аппарата. Традиционная схема сварочного инвертора получалась надежной, но имела очень большие габариты и вес. Кроме этого, характеристики сварочного тока с традиционным источником питания были значительно хуже, чем у инвертора.

Передача электроэнергии на высокой частоте позволяет использовать малогабаритные трансформаторы. Для получения высокой частоты постоянный ток преобразуется с помощью высоковольтных, мощных силовых транзисторов в переменный частотой 50-80 кГц.

Для работы мощных транзисторов напряжение 220 В выпрямляется, проходя через мостовую схему и фильтр из конденсаторов, который уменьшает пульсации. На управляющий электрод полупроводника подается переменный сигнал с генератора прямоугольных импульсов, который открывает/закрывает электронные ключи.

Выходы силовых транзисторов подключаются к первичной обмотке понижающего трансформатора. Благодаря тому, что они работают на большой частоте, их габариты уменьшаются в несколько раз.

Силовой инверторный блок

Переменное напряжение 220 В – это некоторое усредненное значение, которое показывает, что оно имеет такую же энергию, как и постоянный ток в 220 В. Фактически амплитуда равна 310 В. Из-за этого в фильтрах используются емкости на 400 В.

Мостовая выпрямительная сборка монтируется на радиатор. Требуется охлаждение диодов, поскольку через них протекают большие токи. Для защиты диодов от перегрева на радиаторе имеется предохранитель, при достижении критической температуры он отключает мост от сети.

В качестве фильтра используются электролитические конденсаторы, емкостью от 470 мкФ и рабочим напряжением 400 В. После фильтра напряжение поступает на инвертор.

Во время переключения ключей происходят броски импульсного тока вызывающие высокочастотные помехи. Чтобы они не проникали в сеть и не портили ее качество, сеть защищают фильтром электромагнитной совместимости. Он представляет собой набор конденсаторов и дросселя.

Сам инвертор собирается по мостовой схеме. В качестве ключевых элементов применяются IGBT транзисторы на напряжения от 600 В и токи соответствующие данному инвертору.

Они тоже с помощью специальной термопасты монтируются на радиаторы. При переключениях этих транзисторов возникают броски напряжения. Чтобы их погасить применяются RC фильтры.

Полученный на выходе электронных ключей переменный ток поступает на первичную обмотку высокочастотного понижающего трансформатора. На выходе вторичной обмотки получается переменный ток напряжением 50-60 В.

Под нагрузкой, когда идет сварка, он может выдавать ток до нескольких сотен ампер. Вторичная обмотка обычно выполняется ленточным проводом для уменьшения габаритов.

На выходе трансформатора стоит еще один мощный диодный мост. С него уже снимается необходимый сварочный ток. Здесь используются быстродействующие силовые диоды, другие использовать нельзя, потому что они сильно греются и выходят из строя. Для защиты от импульсных бросков напряжения используются дополнительные RC цепи.

Мягкий пуск

Для питания блока управления инвертора применяется стабилизатор на микросхеме с радиатором. Напряжение питания поступает с главного выпрямителя через резистивный делитель.

При включении сварочного инвертора конденсаторы начинают заряжаться. Токи достигают таких больших величин, что могут сжечь диоды. Чтобы этого не произошло, используется схема ограничения заряда.

В момент пуска ток проходит через мощный резистор, который ограничивает пусковой ток. После зарядки конденсаторов резистор с помощью реле отключается, шунтируется.

Блок управления и драйвер

Управление инвертором осуществляет микросхема широтно-импульсного модулятора. Она подает высокочастотный сигнал на управляющий электрод биполярного транзистора с изолированным затвором. Для защиты силовых транзисторов от перегрузок дополнительно устанавливаются стабилитроны между затвором и эмиттером.

Для контроля напряжения сети и выходного тока используется операционный усилитель, на нем происходит суммирование значений контролируемых параметров. При превышении или понижении от допустимых значений срабатывает компаратор, который отключает аппарат.

Для ручной регулировки сварочного тока предусмотрен переменный резистор, регулировочная ручка которого выводится на панель управления.

Сварочное оборудование на IGBT транзисторах имеет наилучшие характеристики по надежности. По сравнению с полевыми ключами биполярные транзисторы с изолированными затворами имеют преимущество больше 1000 В и 200 А.

При использовании в бытовых приборах и сварочных инверторах для домашнего пользования первое место до недавнего времени оставалось за сварочным оборудованием с MOSFET полупроводниками. Эта технология давно используется и хорошо отработана. Но у нее нет перспектив роста, в отличие от оборудования на IGBT транзисторах.

Новые модели уже ничем не уступают устройствам с полевыми приборами и на малых напряжениях. Только по цене первенство остается за аппаратами с полевыми транзисторами с индуцированным затвором.

IGBT и MOSFET модули

модули-аналоги
М10 корпус Е2	Нижний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Semikron» и «Infineon» в корпусе типа «Semitrans 2».	75 А/600 В 50,75,100,150 А/1200 В
М11 корпус Е2	Верхний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Semikron» и «Infineon» в корпусе типа «Semitrans 2».	75 А/600 В 150 А/1200 В
М12 корпус Е2	Полумост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Semikron» и «Infineon» в корпусе типа «Semitrans 2».	50,75,100,150 А/600 В 50,75,100,150 А/1200 В
М9 корпус Е3-2	Нижний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Semikron» и «Infineon» в корпусе типа «Semitrans 4».	200,300,400,600 А/1200 В
М10 корпус Е3-1	Нижний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Semikron» и «Infineon» в корпусе типа «Semitrans 3».	300 А/600 В 150,200,300,400 А/1200 В
М11- корпус Е3-1	Верхний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Semikron» и «Infineon» в корпусе типа «Semitrans 3».	300 А/600 В 150,200,300,400 А/1200 В
М12- корпус Е3-1	Полумост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Semikron» и «Infineon» в корпусе типа «Semitrans 3».	200,300,400,600 А/600 В 150,200,300,400 А/1200 В
М9.1 корпус М1	Два одиночных ключа на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	150,200,300,400 А/1200 В
М10 корпус М1	Нижний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	350,450,600 А/600 В 150,200,300,400 А/1200 В 150,200,300 А/1700 В
М11 корпус М1	Верхний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	350,450,600 А/600 В 150,200,300,400 А/1200 В 150,200,300 А/1700 В
М12 корпус М1	Полумост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	350,450,600 А/600 В 150,200,300,400 А/1200 В 150,200,300 А/1700 В
М12.1 корпус М1	Встречновключённые транзисторы на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	350,450,600 А/600 В 150,200,300,400 А/1200 В 150,200,300 А/1700 В
М13А корпус М1	Трёхфазный инвертор на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	50,75,100,150 А/600 В 50,75,100 А/1200 В 50 А/1700 В
М13А4 корпус М1	Н-мост и чоппер на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	100 А/600 В 50 А/1200 В
М13А5 корпус М1	Трёхуровневый на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	150,200 А/600 В 200 А/1200 В 100 А/1700 В
М13Б корпус М1	Н-мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	150,200 А/1200 В 100,150 А/1700 В
М13Б1 корпус М1	Косой мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP6.	150,200 А/1200 В 100,150 А/1700 В
М10 корпус М2	Нижний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP4.	200,300 А/600 В 50,75,100,150 А/1200 В 50 А/1700 В
М11 корпус М2	Верхний ключ на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP4.	200,300 А/600 В 50,75,100,150 А/1200 В 50 А/1700 В
М12 корпус М2	Полумост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP4.	200,300 А/600 В 50,75,100,150 А/1200 В 50 А/1700 В
М12.1 корпус М2	Встречновключённые транзисторы на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP4.	100,200 А/600 В 50,75,100 А/1200 В 50 А/1700 В
М13Б корпус М2	Н-мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP4.	100,150 А/600 В 50,75,100 А/1200 В 50 А/1700 В
М13Б1 корпус М2	Косой мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP4.	100,150 А/600 В 50,75,100 А/1200 В 50 А/1700 В
М13Е корпус М2	Н-мост и чоппер на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Microsemi» в корпусе типа SP4.	50 А/600 В 25 А/1200 В
М13А корпус S1	Трёхфазный инвертор на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Econopack2».	25,50 А/1200 В
М13Б корпус S1	Н-мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Econopack2».	25,50 А/1200 В
М13А корпус S2	Трёхфазный инвертор на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Econopack2».	25,50 А/1200 В
М13Б корпус S2	Н-мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Econopack2».	25,50 А/1200 В
М13А корпус S3	Трёхфазный инвертор на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Econopack3».	50,75,100 А/1200 В
М13Б корпус S3	Н-мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Econopack3».	100,150 А/1200 В
М13А корпус S4	Трёхфазный инвертор на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Easypack».	30 А/600 В 30 А/1200 В
М13А1 корпус S4	Трёхфазный инвертор и трёхфазный мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Easypack».	10,30 А/600 В
М13А2 корпус S4	Трёхфазный инвертор и однофазный мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Easypack».	10,30 А/600 В
М13Б корпус S4	Н-мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Easypack».	30 А/600 В
М13Д корпус S4	Трёхуровневый инвертор на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Easypack».	30 А/600 В
М13А корпус S5	Трёхфазный инвертор на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Easypack».	50,75 А/1200 В
М13А1 корпус S5	Трёхфазный инвертор и трёхфазный мост на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Easypack».	30 А/1200 В
М13Д корпус S5	Трёхуровневый инвертор на основе IGBT-транзисторов и БВД. Является аналогом силовых модулей «Infineon» в корпусе типа «Easypack».	30,50,75 А/1200 В

Драйверы IGBT

В программе поставок «ЭФО» представлены драйверы — электронные устройства для управления мощными высоковольтными IGBT- и MOSFET-транзисторами и модулями на их основе в преобразователях мощностью от 5 кВт до единиц мегаватт. Конструктивно драйверы представляют собой модули на печатных платах (или микросхемы) , содержащие логическую и силовую часть, гальванически изолированные друг от друга в диапазоне блокирующих напряжений от 600 до 6500 В. Силовая часть схемы обеспечивает необходимые уровни и мощность управления затворами IGBT-транзисторов. Представлены драйверы фирмы Power Integrations (ранее CT-Concept) — мирового лидера в производстве драйверов для IGBT/MOSFETтранзисторов и модулей на их основе. Драйверы производятся в трех конструктивных исполнениях: ядра драйверов, Plug and Play драйверы и драйверы в интегральном исполнении в микросхемном корпусе.

 

На страницу Драйверы IGBT/MOSFET специализированного сайта efo-power

Производители

Новости

Документация

Контакты

Отдел силовой электроники

Бербенец Анатолий Анатольевич

[email protected]

Отдел силовой электроники

Рябов Андрей Николаевич

[email protected]

Отдел силовой электроники

Костин Геннадий Юрьевич

[email protected]

Разница между IGBT и MOSFET (с таблицей)

Транзисторы — это небольшие полупроводниковые устройства, которые усиливают или переключают электрические сигналы и электрическую мощность. Транзисторы являются основными строительными блоками электрической схемы в современной электронике. IGBT и MOSFET — это два типа транзисторов с тремя выводами, которые используются в разных устройствах с различным напряжением. Давайте посмотрим, что это за транзисторы и в чем их отличия.

IGBT против MOSFET

Разница между IGBT и MOSFET заключается в том, что выводы IGBT являются эмиттером, коллектором и затвором, тогда как MOSFET состоит из выводов истока, стока и затвора.MOSFET может содержать терминал тела одновременно. Хотя оба устройства управляются напряжением.

IGBT — это трехконтактное полупроводниковое переключающее устройство, используемое в различных устройствах для усиления или переключения между различными электрическими сигналами. Его выводы — коллектор, эмиттер и затвор. «Коллектор» и «эмиттер» являются выходными клеммами, а «затвор» — входной клеммой. Это идеальное полупроводниковое переключающее устройство, поскольку оно представляет собой нечто среднее между биполярным переходным транзистором (BJT) и MOSFET.

MOSFET — это четырехконтактное полупроводниковое устройство с управляемым напряжением, используемое в увеличивающих или переключающих схемах сигналов. МОП-транзисторы являются наиболее часто используемыми транзисторами. Он может быть выполнен из полупроводника p-типа или n-типа. Его выводы — это исток, сток, затвор и тело. Иногда терминал на корпусе подключается к терминалу источника, что делает его трехконтактным устройством.

Таблица сравнения между IGBT и MOSFET

Параметры сравнения	IGBT	MOSFET
Клеммы	Его выводы являются коллекторными и эмиттерными.	Его выводы — исток, сток, затвор и корпус.
Носители заряда	Электроны и дырки являются носителями заряда.	Электроны являются основными проводниками.
Соединения	Имеет соединения PN.	Не имеет PN-переходов.
Частоты переключения	Он имеет более низкую частоту переключения, чем MOSFET.	Имеет более высокую частоту коммутации.
Электростатический разряд	Устойчив к электростатическому разряду.	Электростатический разряд может повредить слой оксида металла.

Что такое IGBT?

Биполярный транзистор с изолированным затвором, или IGBT, представляет собой нечто среднее между BJT и MOSFET. Он имеет свойства переключения выхода и проводимости, как у BJT, но управляется напряжением, как MOSFET. Поскольку он управляется напряжением, для поддержания проводимости через устройство требуется лишь небольшое количество напряжения.

IGBT сочетает в себе низкое напряжение насыщения полупроводникового устройства, называемого транзистором, а также высокий импеданс и скорость переключения полевого МОП-транзистора.Устройство способно выдерживать большие токи коллектор-эмиттер с нулевым током затвора. Среди его трех выводов выводы коллектора и эмиттера связаны с трактом проводимости, а вывод затвора связан с управлением устройством.

IGBT идеально подходит для высоковольтных и сильноточных приложений. Он используется для быстрого переключения с высокой эффективностью в нескольких электронных устройствах. БТИЗ используются в различных устройствах, таких как приводы двигателей переменного и постоянного тока, импульсные источники питания (SMPS), инверторы, нерегулируемые источники питания (ИБП), системы управления тяговыми двигателями, индукционный нагрев и многие другие.

Преимущество использования IGBT состоит в том, что он обеспечивает работу при более высоком напряжении, меньшие входные потери и больший выигрыш по мощности. Хотя коммутировать ток он может только в «прямом» направлении. Это однонаправленное устройство.

Что такое полевой МОП-транзистор?

Полевой транзистор MOSFET или металл-оксид-полупроводник — это полупроводниковое устройство, используемое для увеличения или переключения электронных сигналов. Это 4-выводное устройство с истоком, стоком, затвором и корпусом в качестве его выводов.В некоторых случаях выводы корпуса и истока соединяются, в результате чего счетчик выводов уменьшается до 3.

Проводники заряда (электроны или дырки) входят в полевой МОП-транзистор через вывод истока в канал и выходят через вывод стока. Ширина канала регулируется терминалом ворот. Затвор расположен между выводами истока и стока и изолирован от канала тонким слоем оксида металла. Он также известен как полевой транзистор с изолированным затвором или IGFET из-за изолированного вывода затвора.

МОП-транзистор очень эффективен даже при работе при низких напряжениях. Он имеет высокую скорость переключения и практически не имеет тока затвора. Он используется в аналоговых и цифровых схемах, МОП-датчиках, калькуляторах, усилителях и цифровых телекоммуникационных системах.

Несмотря на то, что полевые МОП-транзисторы не могут эффективно работать при высоких уровнях напряжения, это создает нестабильность в устройстве и, поскольку оно имеет слой оксида металла, всегда существует риск повреждения из-за электростатических изменений.

Основные различия между IGBT и MOSFET

IGBT и MOSFET управляются напряжением, но одно главное заметное отличие состоит в том, что IGBT — это 3-контактное устройство, а MOSFET — 4-контактное устройство.Хотя они очень похожи, оба имеют несколько отличий между двумя транзисторами.

1. IGBT проводит заряды через электроны и дырки, тогда как MOSFET переносит заряды через электроны.
2. IGBT лучше обрабатывают мощность, чем MOSFET.
3. БТИЗ работают при более высоком номинальном напряжении, чем полевые МОП-транзисторы.
4. Поскольку полевые МОП-транзисторы имеют тонкий слой оксида металла, разделяющий вывод затвора, они чувствительны к электростатическим разрядам. С другой стороны, IGBT более терпимы к высоким напряжениям.
БТИЗ
5. предпочтительнее для узких вариаций нагрузки, тогда как полевые МОП-транзисторы предпочтительнее для широких вариаций нагрузки.
6. IGBT предпочтительнее для низкочастотных, высокотемпературных и малых рабочих циклов, тогда как MOSFET предпочтительнее для высокочастотных, низкотемпературных и больших рабочих циклов.

Заключение

IGBT и MOSFET быстро заменяют старые типы транзисторов и других механических устройств, используемых в электрических цепях.Их высокий КПД и высокая частота переключения делают их незаменимой частью схемы. Поскольку оба управляются напряжением, выбор между ними часто бывает затруднительным.

Хотя IGBT представляет собой нечто среднее между MOSFET и BJT, это не лучший ответ во всех ситуациях. MOSFET-транзисторы также были значительно улучшены за прошедшие годы и показали, что они являются более динамичным устройством. Однако, поскольку IGBT эффективно работают при высоких напряжениях, а полевые МОП-транзисторы удивительно хорошо работают при низких напряжениях, выбор часто зависит от того, какой выходной сигнал требуется от устройства.

Ссылки

1. http://not2fast.com/electronics/theory_docs/choosewisely.pdf
2. https://ghioni.faculty.polimi.it/pel/readmat/gate-drive.pdf

MOSFET / IGBT — РАСШИРЕННЫЕ ДВИЖЕНИЯ

История

До того, как в 1960-х годах впервые были представлены полевые МОП-транзисторы, биполярные транзисторы были единственными мощными транзисторами на рынке. Юлиус Лилиенфельд на самом деле описал устройство, чрезвычайно похожее на полевой транзистор, в 1926 году, за много лет до того, как был представлен даже биполярный транзистор, но его так и не выпустили, потому что в нем не было необходимости в главном нововведении того времени: телефоне.Биполярные транзисторы управляются по току, требуют высокого базового тока для включения и несут ответственность за большое количество теплового разгона. МОП-транзисторы предоставляют те же возможности, что и биполярные транзисторы, но управляются напряжением на выводе затвора, а не током, что позволяет им использовать гораздо меньше энергии для включения. MOSFET-транзисторы могли быть намного меньше биполярных транзисторов, иметь более высокую скорость переключения, допускать гораздо более высокую плотность и минимизировать тепловой пробой. Малый размер силовых транзисторов MOSFET позволил создать интегральные схемы с высокой плотностью, такие как микросхемы памяти и микропроцессоры, которые произвели революцию в электронной промышленности.

В 1980-х годах IGBT были представлены как нечто среднее между биполярными и MOSFET-транзисторами. Потребность в более эффективном и мощном транзисторе возникла, когда GE попросила Bantval Baliga сделать блоки кондиционирования воздуха более энергоэффективными, поскольку полевые МОП-транзисторы того времени не могли эффективно работать при таких высоких напряжениях. Балига объединил входные характеристики биполярного транзистора с выходными характеристиками полевого МОП-транзистора, чтобы создать транзистор, который мог бы эффективно работать при более высоких напряжениях и температурах, сохраняя при этом энергию.

Инновации будущего

Бантвал Джаянт Балига, изобретатель IGBT, теперь стремится произвести революцию и заменить IGBT и MOSFET силовыми транзисторами из карбида кремния. Во время исследования в Университете штата Северная Каролина Балига обнаружил, что карбид кремния оказался более чем в 100 раз более эффективным, чем кремний, который входит в стандартную комплектацию MOSFET и IGBT. Карбид кремния позволяет транзисторам переключаться быстрее и выдерживать экстремально высокие температуры, и ожидается, что он станет чрезвычайно полезным при производстве автономных транспортных средств, где электроника должна быть прочной и способной выдерживать высокие температуры.Однако карбидокремниевые транзисторы имеют гораздо более высокую цену, чем кремниевые IGBT, и не доказали свою экономическую устойчивость для большинства производителей электроники даже с их повышенной энергоэффективностью и прочностью. По оценкам, одни только IGBT сэкономили 25 триллионов долларов за счет повышения энергоэффективности, транзисторы из карбида кремния, вероятно, могут проложить путь к снижению нашего энергопотребления и уменьшению потребности в ископаемом топливе.

В чем разница между MOSFET и IGBT

Резюме

Эта статья в основном посвящена различиям между MOSFET и IGBT, включая их соответствующие преимущества и недостатки, а также разницу в структуре, как выбрать MOSFET или IGBT и т. Д.. Кроме того, характеристика восстановления диода является основным фактором, определяющим потери переключения в открытом состоянии MOSFET или IGBT, поэтому мы также обсудим влияние восстановления диода на топологию жесткого переключения.

Каталог

I Разница в структуре между MOSFET и IGBT

Из-за структуры MOSFET он обычно может достигать большого тока и может достигать KA, но предварительным условием является то, что допустимое напряжение невысокое . Давайте сначала посмотрим видео о том, в чем разница между MOSFET и IGBT.

Это видео представляет собой простое описание разницы между IGBT, MOSFET, BJT

II Разница мощности между MOSFET и IGBT

IGBT может обеспечить большую мощность, ток и напряжение, однако частота не слишком высокий. Текущая скорость жесткого переключения IGBT может достигать 100 кГц, это уже хорошо. Однако по сравнению с рабочей частотой полевого МОП-транзистора это все еще капля в море, полевой МОП-транзистор может работать до сотен кГц, МГц и даже до десятков МГц, RF-продуктов.

MOSFET VS IGBT

III Преимущества и недостатки MOSFET и IGBT

3.1 MOSFET

MOSFET представляет собой полностью управляемый переключатель с тремя выводами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора / управления возникает между затвором и истоком, а его выводы переключателя являются стоком и истоком. Сам затвор выполнен из металла, отделен от истока и стока с помощью оксида металла. Это позволяет снизить энергопотребление и делает транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя с общим источником.

Для правильной работы полевые МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Это означает, что вероятность теплового разгона практически отсутствует. Потери в открытом состоянии ниже, потому что сопротивление транзистора в открытом состоянии, теоретически, не имеет предела. Кроме того, поскольку полевые МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут выполнять приложения быстрого переключения с небольшими потерями при выключении.

Существует много различных типов полевых МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимым с IGBT является силовой полевой МОП-транзистор.Он специально разработан для работы со значительными уровнями мощности. Они используются только в состояниях «включено» или «выключено», что привело к тому, что они являются наиболее широко используемыми переключателями низкого напряжения. По сравнению с IGBT силовой MOSFET имеет преимущества более высокой скорости коммутации и большей эффективности при работе при низких напряжениях.

Более того, он может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем, что большинство силовых полевых МОП-транзисторов вертикальные (а не плоские).Его номинальное напряжение напрямую зависит от легирования и толщины N-эпитаксиального слоя, а его номинальный ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток). Благодаря своей эффективности силовые полевые МОП-транзисторы используются в источниках питания, преобразователях постоянного / постоянного тока и контроллерах низковольтных двигателей.

3.2 IGBT

IGBT также является полностью управляемым переключателем с тремя выводами (затвор, коллектор и эмиттер). Его сигнал затвора / управления проходит между затвором и эмиттером, а его выводы переключателя являются стоком и эмиттером.Он сочетает в себе простые характеристики управления затвором, присущие полевому МОП-транзистору, с возможностью высокого тока и низкого напряжения насыщения биполярного транзистора. Это достигается за счет использования изолированного полевого транзистора с затвором для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве переключателя.

Более того, IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически, его частота следования импульсов фактически попадает в ультразвуковой диапазон. Благодаря этой уникальной возможности IGBT часто используются с усилителями для синтеза сигналов сложной формы с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот.Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика частиц и плазмы, и зарекомендовали себя в современной технике, такой как электромобили, поезда, холодильники с регулируемой скоростью, кондиционеры и т. Д. Более подробную информацию вы можете увидеть в этой статье. «MOSFET против IGBT».

IV Характеристики применения MOSFET и IGBT

Что касается его применения, в соответствии с его характеристиками: MOSFET предназначен для импульсного источника питания (вы можете ознакомиться с этой статьей «Принцип работы мощной регулируемой коммутируемой мощности Поставка «, балласт, высокочастотный индукционный нагрев, высокочастотный инверторный сварочный аппарат, источник питания связи и т. Д. Высокочастотный источник питания.IGBT специализируется на сварке, инверторах, инверторах, источниках питания для электролитического покрытия, сверхзвуковом индукционном нагреве и других областях.

Производительность импульсного источника питания (SMPS) сильно зависит от выбора силовых полупроводниковых устройств, а именно переключателя и выпрямителя.

Импульсный источник питания MOSFET

Хотя не существует комплексного решения проблемы выбора IGBT или MOSFET, сравнивая производительность IGBT и MOSFET в конкретных приложениях SMPS, все же возможно определить диапазон ключевых параметров.

Потеря проводимости в MOSFET и IGBT

Помимо более длительного падения напряжения IGBT, характеристики проводимости IGBT и силового MOSFET очень похожи. Из базовой эквивалентной схемы IGBT (см. Рисунок 1) можно увидеть, что время, необходимое для полной регулировки неосновных носителей в области базы коллектора PNP BJT, приводит к появлению скачка напряжения.

Рисунок 1: Эквивалентная схема IGBT

Эта задержка вызывает эффект квазинасыщения, так что напряжение коллектор / эмиттер не падает сразу до значения VCE (насыщение).Этот эффект также вызывает повышение напряжения VCE в случае ZVS в момент, когда ток нагрузки переключается с шунтирующего антипараллельного диода корпуса на коллектор IGBT.

Энергопотребление Eon, указанное в таблице данных IGBT, представляет собой интеграл по времени произведения Icollector и VCE для каждого цикла преобразования в Джоулях и содержит дополнительные потери, связанные с насыщением класса. Далее он делится на два энергетических параметра Eon: Eon1 и Eon2.Eon1 не включает потери мощности, связанные с потерями в диоде с жестким переключением, а Eon2 включает энергию включения жесткого переключения, связанную с восстановлением диода, которая может быть измерена путем восстановления того же диода, что и диод в диодной упаковке.

Обычно тестовая схема Eon2 показана на рисунке 2. IGBT измеряет Eon путем включения и выключения двумя импульсами. Первый импульс увеличит ток индуктора для достижения желаемого испытательного тока, а затем второй импульс будет измерять потери Eon, при которых испытательный ток восстанавливается на диоде.

Рисунок 2: Типовая схема испытания Eon при включенном и выключенном Eoff

Потери при переключении Eon определяются напряжением и сопротивлением затвора, а также характеристиками восстановления выпрямительного диода при жестком включении. Для традиционных схем CCM boost PFC функция восстановления повышающего диода чрезвычайно важна для управления энергопотреблением Eon (on). Помимо выбора повышающего диода с минимальными значениями Trr и QRR, также важно обеспечить характеристики мягкого восстановления диода.Мягкость, соотношение tb / ta, оказывает значительное влияние на электрические шумы и скачки напряжения, создаваемые переключающими устройствами.

Некоторые быстродействующие диоды имеют высокую скорость падения тока (di / dt) от IRM (REC) в течение времени tb, вызывая выбросы высокого напряжения в паразитной индуктивности схемы. Эти скачки напряжения могут вызвать электромагнитные помехи (EMI) и вызвать чрезмерное обратное напряжение на диоде.

В схемах с жесткой коммутацией, таких как полумостовая и полумостовая топологии, пакеты, упакованные с IGBT, представляют собой транзисторы с быстрым восстановлением или корпусные диоды MOSFET.Когда соответствующий переключатель работает, через диод протекает ток, и характеристики восстановления диода определяют потери Eon. Поэтому очень важно выбрать MOSFET с характеристикой быстрого восстановления основного диода. К сожалению, характеристики восстановления паразитного диода или основного диода полевого МОП-транзистора ниже, чем у дискретных диодов, используемых в настоящее время в промышленности. Следовательно, для приложений MOSFET с жесткой коммутацией внутренний диод часто является ограничивающим фактором, определяющим рабочую частоту SMPS.

Как правило, диоды в корпусе IGBT выбираются в соответствии с их применением, с более медленными сверхбыстродействующими диодами с меньшими потерями прямой проводимости и более медленными корпусами IGBT с моторным приводом с низким VCE (насыщенным). Напротив, сверхбыстрый диод с мягким восстановлением может быть оснащен высокочастотной комбинацией IGBT с импульсным переключением SMPS2. Помимо выбора правильного диода, разработчики также могут контролировать потери Eon, регулируя импеданс источника включения затвора. Уменьшение импеданса источника возбуждения увеличит включение / выключение IGBT или MOSFET и уменьшит потери Eon.Необходимо снизить потери Eon и EMI, так как более высокое значение di / dt приводит к скачкам напряжения, увеличению излучаемых и кондуктивных электромагнитных помех. Чтобы выбрать правильный импеданс привода затвора в соответствии с требованиями di / dt при включении, может потребоваться внутреннее тестирование и проверка схемы. Затем можно определить приблизительное значение кривой перехода MOSFET (см. Рисунок 3).

Рисунок 3: Передаточные характеристики полевого МОП-транзистора

Предполагая, что ток полевого транзистора возрастает до 10 А при включении, напряжение затвора должно измениться с 5.От 2 В до 6,7 В для достижения значения 10 А в соответствии с кривой при 25 ° C на Рисунке 3 со средней GFS 10 А / (6,7 В — 5,2 В) = 6,7 мОм.

Уравнение 1 дает импеданс привода затвора для желаемого значения di / dt

Применение среднего значения GFS к уравнению 1 приводит к напряжению управления затвором Vdrive = 10 В, требуемому di / dt = 600 A / мкс, типичным значениям FCP11N60 VGS (avg) = 6 В и Ciss = 1200 пФ; Импеданс привода затвора составляет 37 Ом. Поскольку переходное значение GFS представляет собой диагональную линию на графике на Рисунке 3, изменение происходит во время Eon, то есть di / dt также изменяется.Экспоненциально затухающий ток управления затвором Vdrive и падающий Ciss также входят в формулу как функция VGS, демонстрируя общий эффект с неожиданным линейным ростом тока.

Аналогичным образом, аналогичные расчеты сопротивления включения затвора могут быть выполнены для IGBT. VGE (avg) и GFS могут быть определены характеристиками переключения IGBT, а значения CIES при VGE (avg) используются вместо Ciss. Расчетное сопротивление привода затвора при включении IGBT составляет 100 Ом, что выше, чем предыдущие 37 Ом, что указывает на то, что IGBT GFS выше CIES ниже.Ключевым моментом здесь является то, что для переключения с MOSFET на IGBT необходимо настроить схему управления затвором.

VI Подробное объяснение потерь проводимости

БТИЗ обычно имеют меньшие потери проводимости, чем полевые МОП-транзисторы на 600 В с таким же размером микросхемы по сравнению с устройствами, рассчитанными на 600 В. Такие сравнения следует проводить, когда четко измеряются плотности тока коллектора и стока и, в худшем случае, рабочая температура перехода. Например, IGBT FGP20N6S2 SMPS2 и SuperFET FCP11N60 имеют значение RθJC, равное 1 ° C / Вт.На рисунке 4 показаны зависимости потерь проводимости от постоянного тока при температуре перехода 125 ° C. График показывает, что потери проводимости полевого МОП-транзистора больше при постоянном токе более 2,92 А.

Рисунок 4: Потери проводимости при работе на постоянном токе и Рисунок 5: Потери проводимости в цепи повышения коэффициента мощности CCM

Однако потери проводимости при постоянном токе на Рисунке 4 менее подходят для большинства приложений. Между тем, на рисунке 5 показано сравнение потерь проводимости в CCM (режим непрерывного тока), в цепи повышающего PFC, температуре перехода 125 ° C и рабочих режимах при входном напряжении переменного тока 85 В и выходном напряжении постоянного тока 400 В постоянного тока.На рисунке точка пересечения кривой MOSFET-IGBT составляет 2,65 А RMS. Для схем PFC полевые МОП-транзисторы имеют более высокие потери проводимости, когда входной переменный ток превышает 2,65 А. Входной переменный ток PFC 2,65 А равен 2,29 А RMS, рассчитанному по формуле 2 для полевого МОП-транзистора. Рассчитываются потери проводимости полевого МОП-транзистора, I2R, ток, определяемый уравнением 2, и RDS (вкл.) Полевого МОП-транзистора при 125 ° C. Принимая во внимание RDS (вкл.) Для изменения тока стока, потери проводимости могут быть дополнительно уточнены, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6: FCP11N60 (MOSFET): RDS (включен) с изменениями IDRAIN и VGE

В статье IEEE, озаглавленной «Как включить RDS (on) Power MOSFET в зависимость переходных значений тока стока от потерь проводимости в высокочастотных трехфазных инверторах с ШИМ», описывается, как определить влияние тока стока на потери проводимости. В качестве идентификатора функции изменения в RDS (on) мало влияют на большинство топологий SMPS. Например, в схеме PFC, когда ID пикового тока полевого МОП-транзистора FCP11N60 составляет 11 А — вдвое больше 5.5 A (спецификация RDS (on)), эффективное значение RDS (on) и потери проводимости увеличиваются на 5%.

В топологии с сильным пульсирующим током, где полевые МОП-транзисторы проводят очень малые рабочие циклы, следует учитывать характеристики, показанные на рисунке 6. Если полевой МОП-транзистор FCP11N60 работает в цепи с импульсным током стока 20 А (т. Е. 5,5 А RMS) с рабочим циклом 7,5%, эффективное значение RDS (включено) будет меньше 5,5 А (испытательный ток в таблице данных). 0,32 Ом большой 25%.

Среднеквадратичный ток по уравнению 2 в цепи PFC CCM

В уравнении 2 Iacrms — это действующий входной ток цепи PFC; Vac — действующее значение входного напряжения цепи PFC; Vout — выходное напряжение постоянного тока.

В практических приложениях вычисление потерь проводимости IGBT в аналогичных схемах PFC будет более сложным, поскольку каждый цикл переключения выполняется на разных ИС. VCE (sat) IGBT не может быть представлен одним импедансом. Более простой и понятный метод — представить его как резистор RFCE, включенный последовательно с фиксированным напряжением VFCE, VCE (ICE) = ICE × RFCE + VFCE. Затем потери проводимости могут быть рассчитаны как произведение среднего тока коллектора и VFCE, плюс квадрат среднеквадратичного значения тока коллектора, умноженного на импеданс RFCE.

Пример на рисунке 5 рассматривает только потери проводимости в цепи CCM PFC, которые предполагается менее 15 Вт для проектной цели с наихудшим случаем проводимости. Взяв в качестве примера полевой МОП-транзистор FCP11N60, эта схема ограничена 5,8 А, а IGBT FGP20N6S2 может работать при входном токе переменного тока 9,8 А. Он проводит более 70% мощности MOSFET.

Хотя IGBT имеют низкие потери проводимости, большинство IGBT на 600 В являются устройствами PT (Punch Through).Устройства PT имеют характеристики NTC (отрицательный температурный коэффициент) и не могут шунтировать параллельно. Возможно, эти устройства можно использовать параллельно с ограниченным успехом путем согласования устройств VCE (sat), VGE (TH) (пороговое напряжение срабатывания затвора) и механических корпусов, так что температура микросхем IGBT может поддерживаться в постоянном соответствии. Напротив, полевой МОП-транзистор имеет положительный температурный коэффициент (PTC), который обеспечивает хорошее шунтирование тока.

VII Потери при выключении

В схемах с жесткой коммутацией и индуктивным ограничением полевые МОП-транзисторы имеют гораздо более низкие потери при выключении, чем IGBT, из-за остаточного тока IGBT, который связан с удалением второстепенных несущих. PNP BJT на рисунке 1.На рисунке 7 показана функция Eoff тока коллектора ICE и температуры перехода Tj, кривые которой представлены в большинстве таблиц данных IGBT. Эти кривые основаны на фиксированных индуктивных цепях, имеют одинаковое испытательное напряжение и содержат потери энергии в результате остаточного тока.

Рисунок 7: IGBT Eoff с изменениями ICE и Tj

На рис. 2 показана типичная испытательная схема для измерения Eoff IGBT. Его испытательное напряжение, VDD на рисунке 2, варьируется в зависимости от BVCES для разных производителей и отдельных устройств.VDD в этом тестовом состоянии следует учитывать при сравнении устройств, потому что тестирование и работа при более низком напряжении фиксации VDD приведет к снижению энергопотребления Eoff.

Снижение сопротивления срабатывания затвора мало влияет на снижение потерь Eoff IGBT. Как показано на рисунке 1, все еще существует задержка времени хранения td (off) I в неосновных несущих IGBT BJT, когда эквивалентный многочастотный MOSFET выключен. Однако уменьшение импеданса возбуждения Eoff снизит риск инжекции тока в контур возбуждения затвора из-за емкости CRES Миллера и dv / dt при выключенном VCE, предотвращая смещение устройства в проводящее состояние, что приводит к множественному Eoff- генерирование коммутационных действий.

Топологии

ZVS и ZCS снижают потери при отключении полевых МОП-транзисторов и IGBT. Однако преимущества ZVS не так велики в IGBT. Поскольку остаточный пусковой ток Eoff индуцируется, когда напряжение коллектора повышается до потенциала, позволяющего рассеять избыточный накопленный заряд. Топология ZCS может повысить максимальную производительность IGBT Eoff. Правильная последовательность управления затвором позволяет не очищать сигнал затвора IGBT до того, как ток второго коллектора пересечет ноль, что значительно снижает Eoff ZCS IGBT.

Энергопотребление Eoff полевого МОП-транзистора является функцией его емкости Миллера Crss, скорости возбуждения затвора, импеданса затвора от источника и паразитной индуктивности в тракте цепи питания источника. Паразитная индуктивность Lx схемы (рис. 8) создает потенциал, который увеличивает потери при выключении за счет ограничения текущего падения скорости. При отключении скорость падения тока di / dt определяется Lx и VGS (th). Если Lx = 5 нГн, VGS (th) = 4 В, максимальная скорость падения тока составляет VGS (th) / Lx = 800 A / мкс.

Рисунок 8: Схема управления затвором в типичных приложениях с жесткой коммутацией

VIII Как выбрать MOSFET и IGBT

MOSFET и IGBT быстро заменяют подавляющее большинство старых твердотельных и механических устройств. Это движение, похоже, тоже не замедлится в ближайшее время, особенно с развитием качественных материалов из карбида кремния (SiC). Силовые устройства SiC демонстрируют такие преимущества разработчиков, как меньшие потери, меньший размер и повышенная эффективность.Подобные инновации будут и дальше расширять пределы возможностей MOSFET и IGBT в приложениях с более высоким напряжением и большей мощностью. В результате во многих приложениях, вероятно, сохранятся компромиссы и совпадения. В этом случае тщательный анализ самого устройства, пожалуй, является наиболее логичным решением, когда возникает задача выбора транзистора для вашего приложения SMPS.

Комплексных решений при выборе силовых коммутационных аппаратов не существует. Топология схем, рабочие частоты, температура окружающей среды и физические размеры — все это играет важную роль в выборе наилучшего.В приложениях ZVS и ZCS с минимальными потерями Eon полевые МОП-транзисторы могут работать на более высоких частотах из-за их более высоких скоростей переключения и меньших потерь переключения. Поведение паразитных диодов MOSFET при восстановлении может быть недостатком для приложений с жестким переключением. Напротив, превосходные диоды с мягким восстановлением совместимы с высокоскоростными SMPS-устройствами, поскольку диоды в корпусе IGBT предназначены для конкретных приложений.

Закрытие : Нет существенной разницы между MOSFE и IGBT.Люди часто задают вопрос, «хорош ли MOSFET или IGBT хорош», сам по себе является ошибкой. Почему мы иногда используем MOSFET, иногда используем IGBT вместо MOSFET? Нельзя просто описать хорошие и плохие стороны, чтобы различать и определять . Для рассмотрения этого вопроса необходимо использовать диалектические методы.

Ⅸ FAQ

1. Что лучше Mosfet или IGBT?

По сравнению с IGBT, силовой MOSFET имеет преимущества более высокой скорости коммутации и большей эффективности при работе при низких напряжениях.Более того, он может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. … IGBT также является полностью управляемым переключателем с тремя выводами (затвор, коллектор и эмиттер).

2. Можем ли мы использовать IGBT вместо Mosfet?

Из-за более высокой используемой плотности тока IGBT, он обычно может выдерживать в два-три раза больше тока, чем типичный MOSFET, который он заменяет. Это означает, что одно устройство IGBT может заменить несколько полевых МОП-транзисторов при параллельной работе или любой из доступных сегодня сверхбольших полевых МОП-транзисторов с одинарной мощностью.

3. В чем разница между транзисторами и IGBT?

IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором, BJT — биполярный переходной транзистор. У обоих есть биполярные устройства. IGBT управляется напряжением затвора, тогда как BJT — это устройство, управляемое током. Биполярный транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора с тремя выводами, в то время как IGBT известны как эмиттер, коллектор и база.

4. Каковы преимущества использования IGBT перед Mosfet?

Основные преимущества IGBT перед силовыми MOSFET и BJT: 1.Он имеет очень низкое падение напряжения в открытом состоянии из-за модуляции проводимости и имеет превосходную плотность тока в открытом состоянии. Таким образом, возможен меньший размер чипа и снижена стоимость.

5. Какое устройство имеет меньшие потери переключения Mosfet или IGBT?

MOSFET

рассчитан на напряжение около 600 вольт, тогда как IGBT рассчитан на диапазон напряжений около 1400 В. Следовательно, при высоких напряжениях ток становится низким, что в конечном итоге приводит к низким коммутационным потерям.

6.Может ли IGBT преобразовывать переменный ток в постоянный?

Преобразователь переменного тока в постоянный, обеспечивающий регулируемое выходное напряжение постоянного тока из входного переменного напряжения питания, которое преобразуется с помощью выпрямителя, который использует, по крайней мере, в двух своих ветвях устройства IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), предпочтительно из такие, у которых нет внутренних диодов.

7. Какой сварочный аппарат лучше всего подходит для IGBT или Mosfet?

IGBT и MOSFET

очень похожи и работают (на первый взгляд) примерно одинаково.MOSFET лучше работают на более высокой частоте, но поскольку они не так хороши при высоких токах, вам обычно требуется больше, чтобы сравняться с IGBT, поэтому их реализация может быть более дорогой.

8. Является ли IGBT выпрямителем?

IGBT

обладают довольно хорошей пропускной способностью по току по сравнению со стандартными BJT (биполярный транзистор) и MOSFET (транзистор металл – оксид – кремний). IGBT — это устройства, переключение которых полностью управляется электроникой. Большинство стандартных выпрямителей на рынке — это, как правило, 6-пульсные выпрямители.

9. Каков принцип работы IGBT?

IGBT требует лишь небольшого напряжения для поддержания проводимости в устройстве, в отличие от BJT. IGBT — это однонаправленное устройство, то есть он может включаться только в прямом направлении. Это означает, что ток течет от коллектора к эмиттеру, в отличие от полевых МОП-транзисторов, которые являются двунаправленными.

10. Что такое плазменный резак IGBT?

Плазменная резка, проще говоря, это процесс резки стали и металла разного размера и толщины с помощью плазменного резака…. В плазменных резаках с IGBT используется другой метод зажигания вспомогательной дуги, и они лучше подходят для профессиональной среды.

---

Рекомендация книги

В этой книге в основном говорится о MOSFET. ИС и приложение драйвера IGBT.

— БЕН ШЭ.И МИН (Автор)

Разработанный для односеместрового курса для младших, старших курсов или выпускников, MOSFET Theory and Design представляет собой четкое и глубокое рассмотрение физического анализа и принципов проектирования MOSFET.Сосредоточив внимание исключительно на MOSFET, этот небольшой том признает доминирование этого устройства в современной технологии микроэлектроники, а также предоставляет студентам эффективный текст, свободный от дополнительных предметов. MOSFET Theory and Design предлагает практический подход к обучению с использованием аналитических, компьютерных и проектных задач. Он включает в себя дополнительные педагогические пособия, такие как краткое изложение книги, вопросы для повторения, в которых подчеркиваются важные моменты, упражнения в тексте с соответствующими решениями и исчерпывающая библиография.

— Теория и конструкция MOSFET

Устройство IGBT зарекомендовало себя как очень важный силовой полупроводник, обеспечивающий основу для приводов электродвигателей с регулируемой скоростью (используемых в системах кондиционирования воздуха, холодильных машин и железнодорожных локомотивов), электронных систем зажигания для автомобилей с бензиновым двигателем и энергосберегающих компактных люминесцентных ламп. Недавние применения включают плазменные дисплеи (телевизоры с плоским экраном) и системы передачи электроэнергии, альтернативные энергетические системы и накопители энергии.Эта книга является первой доступной книгой, охватывающей приложения IGBT и предоставляющей важную информацию, необходимую разработчикам приложений для разработки новых продуктов с использованием этого устройства в таких секторах, как потребительская, промышленная, светотехническая, транспортная, медицинская и возобновляемые источники энергии.

— Б. Джаянт Балига (Автор)

---

Соответствующая информация о «Анализ различий между MOSFET и IGBT»

О статье «Анализ различий между MOSFET и IGBT». Если у вас есть лучшие идеи, не стесняйтесь писать свои мысли в следующей области комментариев.Вы также можете найти больше статей об электронных полупроводниках через поисковую систему Google или обратиться к следующим связанным статьям.

Альтернативные модели

Деталь	Сравнить	Производителей	Категория	Описание
Производитель.Номер детали: KA7909TU	Сравнить: Текущая часть	Производитель: Fairchild	Категория: Регуляторы напряжения	Описание: FAIRCHILD SEMICONDUCTOR KA7909TU Линейный регулятор напряжения, 7909, фиксированный, от -35В до -10В на входе, -9В и 1А на выходе, TO-220AB-3
ПроизводительНомер детали: KA7909	Сравнить: КА7909ТУ VS КА7909	Производитель: Fairchild	Категория:	Описание: 3-контактный регулятор отрицательного напряжения на 1 А
ПроизводительНомер детали: TS7909CZ	Сравнить: KA7909TU VS TS7909CZ	Производитель: Taiwan Semiconductor	Категория: Линейные регуляторы	Описание: В РЕГ -9В, 7909, ТО-220-3; Тип регулятора напряжения: фиксированный отрицательный; Напряжение, макс. Вход: -11 В; Напряжение, макс. Выход: -9….
Производитель Номер детали: KA7909	Сравнить: КА7909ТУ VS КА7909	Производитель: Samsung	Категория:	Описание: Стандартный отрицательный стабилизатор, 9 В, PSFM3

сходств и различий между MOSFET и IGBT

В этой статье мы собираемся обсудить подробное сравнение между MOSFET и IGBT, что означает, что мы обсудим, какие сходства и различия между ними.Мы также обсуждаем, как они используются для различных приложений.

MOSFET обозначает полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником, тогда как IGBT обозначает биполярный транзистор с изолированным затвором.

Давайте узнаем сходство между MOSFET и IGBT.

Сходства MOSFET и IGBT

1. MOSFET и IGBT оба представляют собой твердотельные полупроводниковые устройства, интегрированные в один кусок кремния.

2. Хотя BJT — это устройство, управляемое током, но и IGBT, и MOSFET — это устройство, управляемое напряжением.

3. IGBT и MOSFET могут использоваться в качестве статического электронного переключателя.

4. IGBT и MOSFET имеют изоляцию между затвором и другими клеммами.

5. IGBT и MOSFET имеют высокое входное сопротивление.

Разница между MOSFET и IGBT

1. Основное различие между IGBT и MOSFET заключается в том, что IGBT подходит для проводимости и управления средним и очень высоким током, тогда как MOSFET подходит для проводимости и управления от низкого до среднего тока.

2. IGBT не подходит для высокочастотных приложений, он может хорошо работать на частоте до нескольких килограммов Hartz, но MOSFET больше всего подходит для очень высокочастотных приложений, он может хорошо работать на мега-частотах Hartz.

3. Скорость переключения IGBT очень низкая, тогда как MOSFET обеспечивает очень быстрое переключение.

4. IGBT может работать с очень высоким напряжением и большой мощностью, но MOSFET подходит только для приложений низкого и среднего напряжения и мощности.

5. IGBT производит меньшее прямое падение напряжения, когда проводит ток, но MOSFET производит большее прямое падение напряжения по сравнению с IGBT.

6. IGBT имеет большее время выключения, тогда как MOSFET имеет меньшее время выключения.

7. IGBT имеет три терминала с именами эмиттер, коллектор и затвор, тогда как полевой МОП-транзистор также имеет три терминала с именами «исток», «затвор» и «сток».

8. IGBT имеет PN переход в своей конструкции, но MOSFET не имеет PN перехода.

9. IGBT может обрабатывать любое переходное напряжение и ток, но при возникновении переходного напряжения работа MOSFET нарушается.

10. MOSFET — это недорогие устройства, тогда как IGBT — дорогие устройства.

11. БТИЗ наиболее подходят для приложений переменного тока большой мощности, тогда как полевые МОП-транзисторы наиболее подходят для приложений постоянного тока малой мощности.

Применения IGBT и MOSFET

IGBT используются для низкочастотных, высокомощных приложений, таких как промышленные инверторы, ИБП, контроллеры мощности и т. Д.IGBT также используется в трехфазных инверторах, частотно-регулируемых преобразователях, работающих с высоким напряжением и током. IGBT в основном предназначен для использования в приложениях силовой электроники.

Полевые МОП-транзисторы

используются для высокочастотных приложений с низким энергопотреблением, таких как схемы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), однофазные инверторы, схемы высокочастотных усилителей, цифровые электронные схемы и т. Д. МОП-транзисторы предназначены для использования в силовой электронике, а также схемы цифровой электроники.

Ключевые преимущества IGBT

1.Он способен обрабатывать и проводить от среднего до сверхвысокого напряжения и большого тока.

2. Его работа не нарушается при скачках напряжения.

3. Обеспечивает очень высокую изоляцию затвора.

4. Создает очень низкое прямое падение напряжения во время прохождения тока.

Недостатки IGBT

1. Он не подходит для высокочастотных приложений.

2. Его скорость переключения мала по сравнению с другими, такими как SCR, MOSFET и т. Д.

3. IGBT имеет большее время выключения.

Преимущества полевого МОП-транзистора

1. Он наиболее подходит для высокочастотных приложений.

2. Обеспечивает очень быстрое переключение.

3. Способен обрабатывать шумовые сигналы.

4. Это компактный и доступный недорогой прибор.

Недостатки полевого МОП-транзистора

1. Он не может работать с большими токами, напряжением и мощностью.

2. Его работа нарушается из-за скачка напряжения.

3. Он производит большее прямое падение напряжения по сравнению с IGBT.

Спасибо, что посетили сайт. продолжайте посещать для получения дополнительных обновлений.

Разница между IGBT и MOSFET

Основное отличие — IGBT и MOSFET

IGBT и MOSFET — это два разных типа транзисторов, используемых в электронной промышленности. Вообще говоря, полевые МОП-транзисторы лучше подходят для низковольтных приложений с быстрой коммутацией, тогда как IGBTS больше подходят для высоковольтных приложений с медленной коммутацией.Основное различие между IGBT и MOSFET заключается в том, что IGBT имеет дополнительный переход p-n по сравнению с MOSFET, что придает ему свойства как MOSFET, так и BJT.

Что такое полевой МОП-транзистор

MOSFET — это полевой транзистор Metal Oxide Semiconductor . МОП-транзистор состоит из трех выводов: истока (S), стока (D) и затвора (G). Поток носителей заряда от истока к стоку можно контролировать, изменяя напряжение, приложенное к затвору.На схеме показана схема полевого МОП-транзистора:

.

Структура полевого МОП-транзистора

Буква B на диаграмме называется телом; однако, как правило, корпус подключается к источнику, так что в фактическом МОП-транзисторе появляются только три клеммы.

В nMOSFET s Исток и сток окружают полупроводники типа n (см. Выше). Для замыкания цепи электроны должны течь от истока к стоку. Однако две области типа n разделены областью подложки типа p , которая образует обедненную область с материалами типа n- и предотвращает протекание тока.Если на затвор подается положительное напряжение, он притягивает электроны от подложки к себе, образуя канал : область типа n , соединяющая области типа n истока и стока. Электроны теперь могут проходить через эту область и проводить ток.

В pMOSFET s, операция аналогична, но исток и сток находятся в областях типа p , а подложка — типа n . Носителями заряда в pMOSFET являются дырки.

A power MOSFET имеет другую структуру. Он может состоять из множества ячеек , каждая ячейка имеет области MOSFET. Структура ячейки в силовом полевом МОП-транзисторе приведена ниже:

Структура силового полевого МОП-транзистора

Здесь электроны текут от истока к стоку по пути, показанному ниже. По пути они испытывают значительное сопротивление, когда проходят через область, обозначенную как N ^— .

Некоторые силовые полевые МОП-транзисторы показаны вместе со спичкой для сравнения размеров.

Что такое IGBT

IGBT означает « биполярный транзистор с изолированным затвором ». БТИЗ имеет структуру, очень похожую на силовой полевой МОП-транзистор. Однако область силового MOSFET типа n N ⁺ заменена здесь областью p типа P ⁺ :

Структура IGBT

Обратите внимание, что имена, данные трем клеммам, немного отличаются от имен, данных для полевого МОП-транзистора.Исток становится эмиттером , а сток становится коллектором . Электроны проходят через IGBT так же, как через силовой полевой МОП-транзистор. Однако дырки из области P ⁺ диффундируют в область N ^— , уменьшая сопротивление, испытываемое электронами. Это делает IGBT пригодными для использования с гораздо более высокими напряжениями.

Обратите внимание, что теперь имеется два перехода p-n , и это придает IGBT некоторые свойства транзистора с биполярным переходом (BJT).Наличие свойства транзистора увеличивает время, необходимое для отключения IGBT по сравнению с силовым MOSFET; однако это все равно быстрее, чем время, затрачиваемое BJT.

Несколько десятилетий назад BJT были наиболее часто используемым типом транзисторов. Однако в настоящее время МОП-транзисторы являются наиболее распространенным типом транзисторов. Использование IGBT для высоковольтных приложений также довольно распространено.

Разница между IGBT и MOSFET

Количество переходов

p-n

МОП-транзисторы имеют один переход p-n .

IGBT имеют два перехода p-n .

Максимальное напряжение

Для сравнения, полевые МОП-транзисторы не могут обрабатывать такие высокие напряжения, как те, которые обрабатываются IGBT.

БТИЗ могут работать с более высокими напряжениями, поскольку они имеют дополнительную область p .

Время переключения

Время переключения для полевых МОП-транзисторов сравнительно меньше.

Время переключения для IGBT сравнительно меньше.

Список литературы

ПОДЕЛИТЬСЯ МООК. (2015, 6 февраля). Урок силовой электроники: 022 Силовые полевые МОП-транзисторы . Получено 2 сентября 2015 г. с YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=RSd9YR42niY

.

ПОДЕЛИТЬСЯ МООК. (2015, 6 февраля). Урок силовой электроники: 024 BJT и IGBT . Получено 2 сентября 2015 г. с YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=p62VG9Y8Pss

.

Изображение предоставлено

«Структура полевого МОП-транзистора» Брюса Охаре (собственная работа) [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons

«Поперечное сечение классического вертикального полевого МОП-транзистора с рассеянной мощностью (VDMOS)». Сирил БАТТЕЙ (собственная работа) [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons

«Два полевых МОП-транзистора в корпусе D2PAK. Каждый из них рассчитан на 30 А, 120 В. » Сирил БАТТЕЙ (собственная работа) [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons

«Поперечное сечение классического биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT)» Сирила БАТТЭЯ (собственная работа) [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons

От вопросов и ответов

с TJ Byers

Основы IGBT

Вопрос:

Несколько лет назад, когда я учился в Университете Иллинойса, я руководил фотоуслугой, снимая танцевальные фотографии и портреты из студенческих обществ, чтобы заработать деньги.После учебы я бросил фотографию, но сохранил свое старое оборудование Grafles Stroboflash. Теперь, когда у меня было больше времени, я решил снова заняться фотографией. Моя жена купила мне новый Nikon на Рождество, и я был в отъезде … пока я не обнаружил, что батареи на 225 В для каждого стробоскопа (у меня их шесть) стоят 200 долларов каждая! Будучи «злым гением», каким я себя считаю, я решил создать свои собственные стробоскопы, работающие от сети переменного тока, используя старые лампы-вспышки.

Изучив новые технологии, я решил использовать транзисторы IGBT вместо SCR, потому что они дают мне максимальный контроль, позволяя управлять ими с микроконтроллера PIC или Stamp.Вот моя проблема: информация о IGBT предназначена для человека со степенью в области ME, а не EE. Можете ли вы объяснить их понятным мне языком?

— Альберт Дж. Сановскис
Реддик, Флорида

Ответ:

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) в основном представляет собой брак между MOSFET (металлооксидным полевым транзистором) и биполярным транзистором. Он имеет характеристики переключения выхода и проводимости биполярного транзистора, но управляется напряжением, как полевой МОП-транзистор.Как правило, это означает, что он сочетает в себе способность выдерживать большие токи биполярной части с простотой управления полевым МОП-транзистором.

Структура кристалла IGBT аналогична N-канальному MOSFET с одним добавленным переходом. Этот добавленный переход фактически становится коллектором биполярного транзистора PNP, который управляется N-канальным MOSFET. Помимо транзистора PNP, существует транзистор NPN, который образует пару Дарлингтона (, рис. 1 ), тем самым придавая IGBT его биполярные выходные характеристики.

РИСУНОК 1.

---

Этого различия между MOSFET и IGBT достаточно, чтобы четко определить, какое устройство лучше подходит для каких приложений. Очевидно, что IGBT — это выбор для пробивных напряжений выше 1000 В, в то время как MOSFET лучше подходит для пробивных напряжений ниже 250 В. Когда пробивное напряжение составляет от 250 до 1000 В, выбор между ними является очень специфической задачей, требующей больших затрат. , размер и скорость должны быть приняты во внимание.

БТИЗ

были предпочтительным устройством в условиях низкого рабочего цикла, низкой частоты (менее 20 кГц) и высокой выходной мощности, превышающей 5 кВт. Типичные приложения IGBT включают в себя управление двигателем, источники питания ИБП, сильноточную сварку и маломощное освещение с рабочими частотами ниже 100 кГц.

Полевые МОП-транзисторы

предпочтительны в приложениях, где требуется высокочастотная работа выше 200 кГц, с широкими вариациями линии или нагрузки, длительными рабочими циклами, низковольтными приложениями (менее 250 В) и низкой выходной мощностью (менее 500 Вт).Типичные приложения MOSFET включают в себя импульсные источники питания и зарядку аккумуляторов. Конечно, все не так просто, как кажется. Возможны компромиссы и совпадения. См. Таблица 1 для прямого сравнения биполярных транзисторов, MOSFET и IGBT.

Передняя часть IGBT по существу идентична таковой у MOSFET и требует соответствующего обращения. То есть вы должны учитывать эффект заряда Миллера и плато, которое транзистор должен пройти, чтобы стать полностью насыщенным (см. «Основы MOSFET» выше). На рисунке 2 показаны характеристики затвора для типичного устройства IGBT в режиме включения. Обратите внимание, что заряд измеряется в кулонах (Q _G ). Выполняя математические вычисления — C = Q _G / E — мы вычисляем, что C _g составляет 0,01 мкФ.

РИСУНОК 2.

---

Enter Rs — резистор последовательного затвора. Этот резистор определяет время, необходимое транзистору для перехода от полного выключения к полному включению, ограничивая поток тока на входную емкость по формуле t = 5 (RC).Чем меньше Rs, тем быстрее включится транзистор. Это также снижает внешний шум, который может ложно сработать транзистором. С другой стороны, большие пусковые токи могут вызвать нагрузку на затворный переход, на мгновение заставив напряжение затвора превысить пороговые значения VGE. Но с увеличением рупий увеличивается и время выключения. Это замечательно, если вам нужно плавное выключение, но не подходит для приложений с обратным ходом. Как видите, правильный драйвер затвора и значение Rs имеют решающее значение для успеха вашего проекта. В большинстве таблиц данных указано значение Rs, которое они использовали для создания перечисленных параметров и результатов испытаний.Это хорошее место для старта.

РИСУНОК 3.

---

Возвращаясь к вашему конкретному применению по созданию контроллера фотовспышки, я предлагаю схему на рис. 3 . В качестве драйвера я выбрал IR4427 (, рис. 4, ), потому что он может потреблять и потреблять до 1,5 А — и идеально подходит для
, управляющего MOSFET и IGBT транзисторами.

РИСУНОК 4.

---

Взяв значение Rg из таблицы данных IRG4BC40F и используя стандартную конструкцию входа IGBT, я придумал комбинацию входов последовательного резистора 10 Ом и параллельного входа резистора 20 кОм.Когда на вход IR4427 подается положительный импульс, он запускает IGBT, который, в свою очередь, разряжает конденсатор 0,22 мкФ через катушку запуска и запускает лампу-вспышку. Обратите внимание, что IR4427 имеет два драйвера в своем пакете, что означает, что он может управлять двумя импульсными лампами или подключаться параллельно для увеличения тока привода. Обеспечение зарядного напряжения 320 В и программирование PIC зависит от вас.

Не хватает MOSFET? Продолжите эту беседу фразой «You Take The High Road …»

Сравнение модулей Si IGBT и SiC MOSFET (a) Поперечное сечение…

Context 1

… Поперечное сечение Si IGBT Infineon Trench-fieldstop (Trench-FS) показано на рис. 1a [20]. Использование конструкции с канавками исключает эффект перехода на полевых транзисторах и увеличивает плотность каналов. Использование слоя FS (дополнительный n-слой рядом с коллектором) вводится для уменьшения толщины кристалла IGBT, что снижает как статические, так и динамические потери. Как показано на рис. 1b, традиционная планарная структура принята для …

Context 2

…. Si IGBT-транзистор Infineon Trench-fieldstop (Trench-FS) показан на рис. 1а [20]. Использование конструкции с канавками исключает эффект перехода на полевых транзисторах и увеличивает плотность каналов. Использование слоя FS (дополнительный n-слой рядом с коллектором) вводится для уменьшения толщины кристалла IGBT, что снижает как статические, так и динамические потери. Как показано на рис. 1b, для современного SiC MOSFET используется традиционная планарная структура. Сравнивая структуры устройства, можно обнаружить, что в Si IGBT отсутствует паразитный основной диод, поэтому в Si IGBT требуется внешний FWD…

Context 3

… выходные характеристики первого квадранта, показанные на рис. 1c, хотя Si IGBT имеет более низкое сопротивление в открытом состоянии из-за модуляции проводимости, встроенный потенциал (около 0,7 В) PN перехода паразитного PNP-транзистора приводит к более высокому падению напряжения, чем SiC MOSFET при низком токе. Поскольку MOSFET является двунаправленным устройством, он может работать в третьем квадранте (также называемом синхронным выпрямлением). …

Контекст 4

… исправление). Ток протекает через канал при низком токе и постепенно переходит на внешний SiC-диод Шоттки при высоком токе. Поскольку ток IGBT может течь только в одном направлении из-за дополнительного PN перехода, характеристики третьего квадранта модуля SiC MOSFET сравниваются с характеристиками FWD модуля Si IGBT, как показано на рис. 1d. Можно обнаружить, что модуль SiC MOSFET всегда показывает меньшее сопротивление в открытом состоянии, чем модуль Si IGBT в третьем квадранте.