IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

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

IGBT транзисторы

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

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

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

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

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

Достоинства

• Простая параллельная схема.
• Отсутствие потерь.
• Повышенная плотность тока.
• Устойчивость к замыканиям.
• Малые потери в открытом виде.
• Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).
• Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).

При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:

• Правильный подбор тока защиты.
• Выбор сопротивления затвора.
• Использование обходных путей коммутации.

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

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:

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

IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению. Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Похожие темы:

Транзистор IGBT-принцип работы, структура, основные характеристики

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

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

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

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

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

Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов

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

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

Преимущества IGBT транзисторов

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

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

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

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

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

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT

Применение IGBT-транзистора

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

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

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

Примеры расчета IGBT-транзистора

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

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

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

Формула заряда затвора:

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

Выбор максимальной величины тока управления  затвором определяется по упрощенной формуле:

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

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

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

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

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

Проверка мощных IGBT-транзисторов

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

Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.

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

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

Что такое IGBT-транзисторы

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

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

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

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

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

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

Немного истории

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

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

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

Владимир Дьяконов

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

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

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

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

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

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

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

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

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

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

Применение IGBT-транзисторов

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

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

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

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

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

Ранее ЭлектроВести писали, что немецкие инженеры разработали полевой транзистор на основе оксида галлия с пробивным напряжением 1,8 кВ и рекордной добротностью — 155 МВт на квадратный сантиметр. Такие показатели приближают элемент к теоретическому лимиту оксида галлия.

По материалам: electrik.info.

2.4.2.3 Igbt — биполярный транзистор с изолированным затвором

Рассматриваемый транзистор обычно называют, ис­пользуя именно аббревиатуру, IGBT — от английского Insulated Gate Bipolar Transistor.

IGBT — гибридный полупроводниковый прибор. В IGBT совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (уп­равление электрическим полем), а второй — для биполяр­ных (управление инжекцией носителей электричества).

Ранее предпринимались попытки (и довольно успеш­ные) механического объединения структур полевого и биполярного транзистора в одной полупроводниковой пластине. В результате были созданы так называемые ком­бинированные транзисторы. Но только органическое объединение этих структур, реализованное в IGBT, дало действительно значительный эффект.

Создание IGBT можно рассматривать как поучитель­ный пример творчества в электронике.

Устройство IGBT. Основой при создании IGBT послу­жил силовой МДП-транзистор.

Обычно в IGBT используется структура МДП-транзи-стора с индуцированным каналом «-типа. Учитывая, что конкретно такой транзистор не рассматривался, изобра­зим его схему включения (рис. 1.161).

Дадим схематическое изображение структуры силово­го ДМДП-транзистора указанного типа (рис. 1.162).

Эта структура, как и приводимая ниже эквивалентная схема, естественно, подобны структуре и схеме, описан­ным при изучении силового ДМДП-транзистора с кана­лом р-типа.

Изобразим эквивалентную схему силового транзисто­ра (рис. 1.163).

Теперь перейдем непосредственно к изучению ICjBT. Структура этого транзистора отличается от структуры ДМДП-транзистора дополнительным слоем полупровод­ника р-типа (рис. 1.164).

Обратим внимание на то, что для обозначения элект­родов IGBT принято использовать термины «эмиттер», «коллектор» и «затвор».

Добавление слоя р-типа приводит к образованию вто­рой структуры биполярного транзистора (типа р-п-р). Та­ким образом, в IGBT имеется две биполярные структу­ры — типа п-р-п и типа р-п-р.

Изобразим эквивалентную схему IGBT (рис. 1.165).

Названия выводов IGBT могут представляться несколь­ко непривычными (особенно это относится к коллектору, так как фактически он подключен к эмиттеру транзисто­ра р-п-р). И тем не менее эти названия общеприняты.

Через R_Mod обозначено сопротивление нижнего слоя n-типа, который является слоем базы для транзистора типа р-п-р. При изменении тока, проходящего через этот слой, сопротивление Я_мод изменяется (модулируется).

Дадим условное графическое обозначение IGBT (рис 1.166).

Изобразим схему включения IGBT (рис. 1.167).

Эта схема с общим эмиттером. Именно она использу­ется на практике.

Основные физические процессы. В нормальных услови­ях работы транзистор Т₂ типа п-р-п заперт и практически не оказывает влияния на работу IGBT. Вообще транзис­тор Т₂ рассматривается как паразитный (как и для струк­туры силового полевого транзистора).

Главную роль играют транзисторы T₁, и Т₃.

Основное назначение дополнительного р-n-перехода (который является эмиттерным переходом для транзисто­ра Т₃) состоит в инжекции дырок в нижний слой и-типа. Инжекция значительно уменьшает сопротивление этого слоя. В результате напряжение и_кэ между коллектором и эмиттером IGBT в открытом состоянии значительно уменьшается по сравнению с соответствующим полевым транзистором.

Именно меньшее напряжение в открытом состоянии является основным преимуществом IGBT по сравнению с полевым транзистором.

Уменьшение напряжения приводит к пропорциональ­ному снижению мощности, рассеиваемой транзистором.

Преимущество IGBT особенно заметно при коммута­ции больших напряжений (около тысячи вольт и более), так как высоковольтные полевые транзисторы имеют по­вышенное значение сопротивления цепи сток—исток в от­крытом состоянии.

Однако инжекция дырок приводит к возникновению объемного заряда неравновесных носителей электричества в базе транзистора типа р-п-р (т. е. в нижнем слое л-типа). Это явление рассмотрено выше при изучении диода. Яв­ление накопления заряда имеет следствием уменьшение быстродействия IGBT по сравнению с полевым транзис­тором. Такова плата за снижение напряжения в открытом состоянии.

Легко заметить, что биполярные транзисторы Т₂ и T₃ образуют рассмотренную выше эквивалентную схему тиристора (часто говорят о тиристорной структуре). Эта схе­ма может находиться в двух устойчивых состояниях: во включенном и выключенном.

В аварийном для IGBT режиме работы схема на тран­зисторах Т₂ и Т₃ может включиться и после этого IGBT становится неуправляемым и может выйти из строя.

Эффект включения транзисторов Т₂ и Т₃ называют триггерным. Он обычно проявляется при выключении IGBT. Разработчики IGBT прилагают все усилия для борь­бы с этим эффектом.

Современные IGBT настолько защищены от триггерного эффекта, что их допустимо моделировать, используя эквивалентную схему, не содержащую паразитный тран­зистор типа п-р-п (рис. 1.168).

Характеристики IGBT. Обратимся к выходным харак­теристикам IGBT для схемы с общим эмиттером. Выход­ной характеристикой называют зависимость тока коллек­тора i_K от напряжения между коллектором и эмиттером и_кэ при заданном напряжении между затвором и эмиттером U_зэ , т.е. зависимость вида

i_к = f (U_кэ)\ U_кэ = const ,

где f — некоторая функция.

Вначале дадим общий типичный вид выходных харак­теристик (рис. 1.169) без учета ограничения по максималь­но допустимой мощности (т. е. для импульсов тока огра­ниченной длительности).

Теперь изобразим выходные характеристики в области малых напряжений и_кэ (рис. 1.170).

Из рисунка следует, что ток коллектора начинает замет­но расти после некоторого (в доли вольта) порогового зна­чения напряжения и_кэ . Это объясняется наличием р-п-перехода в области коллектора IGBT.

Передаточной характеристикой называют зависимость вида

i_c = f (U_зэ)\ U_кэ = const ,

где f— некоторая функция.

Изобразим передаточную характеристику (рис. 1.171).

На рисунке указано пороговое напряжение и_{зэпорог}. IGBT характеризуется также крутизной передаточной характеристики S:

S = di_к / du_зэ U_зэ — заданно

U_зэ = const

Высокая теплостойкость IGBT. Как и полевой транзи­стор, IGBT обладает достоинствами, позволяющими гово­рить о его тепловой устойчивости.

Область безопасной работы IGBT подобна области бе­зопасной работы силового полевого транзистора (рассмот­рена выше).

IGBT устойчив к короткому замыканию нагрузки. Если после возникновения режима короткого замыкания транзистор своевременно выключить, он не потеряет работо­способность.

2.4.2.4 SIT — транзистор со статической индукцией

Аббревиатура SIT соответствует английскому названию транзистора — Static Induction Transistor.

По существу SIT — полевой транзистор с управляющим р-п-переходом. Однако он имеет своеобразное устройство и, вследствие этого, своеобразные характеристики.

Производятся SIT как с каналом n-типа, так и с кана­лом p-типа.

Для SIT используются уже рассмотренные условные графические обозначения полевых транзисторов с управ­ляющим переходом.

Как и силовой МДП-транзистор, SIT является много­канальным и имеет вертикальную структуру.

Устройство SIT. Дадим схематическое изображение структуры SIT с каналом л-типа (рис. 1.172).

На рис. 1.172, а представлен вид спереди, а на рис. 1.172, б — вид сбоку.

Области полупроводника p-типа имеют форму цилин­дров, диаметр которых составляет единицы микрометров и более. Эта система цилиндров играет роль затвора. Каж­дый цилиндр подсоединен к электроду затвора (на рис. 1.172, а электрод затвора условно не показан).

Пунктиром обозначены области p-n-переходов.

Реально число каналов может составлять тысячи.

Обычно SIT используется в схеме с общим истоком (рис. 1.173).

Характерной особенностью SIT является очень малая длина каналов (которая сравнима с диаметром цилиндров).

Физические процессы в SIT достаточно сложны. В от­дельных моментах они подобны физическим процессам в изученном полевом транзисторе с управляющим перехо­дом.

При увеличении запирающего напряжения и_т облас­ти р-п-переходов расширяются. В этом отношении SIT имеет общие черты с «обычным» полевым транзистором.

Однако влияние напряжения и_си на ток i_с для SIT име­ет другой характер по сравнению с «обычным» полевым транзистором.

Для транзистора с «обычным» каналом, как это было показано выше, увеличение напряжения и_си приводит к тому, что канал перекрывается в области стока. После это­го дальнейшее увеличение напряжения и_си незначительно изменяет ток i_c. При этом рабочая точка, характеризую­щая состояние транзистора, оказывается в области насы­щения.

Падение напряжения в каждом канале SIT, вызванное протеканием тока стока, невелико благодаря очень малой длине каналов. Оно достаточно слабо влияет на расшире­ние областей р-n-переходов. Поэтому увеличение напря­жения и_си не сопровождается уменьшением скорости ро­ста тока i_c (т. е. выходная характеристика при увеличении напряжения и_си не становится более пологой).

Более того, при увеличении напряжения и_си уменьша­ется напряженность электрического поля в области исто­ка и затвора, тормозящего электроны при их движении от истока к стоку. Это приводит к тому, что увеличение на­пряжения и_си сопровождается увеличением скорости рос­та тока стока (т. е. выходная характеристика при увеличе­нии напряжения и_си становится более крутой).

Характеристики. Изобразим типичные выходные ха­рактеристики SIT (рис. 1.174).

Такие вольт-амперные характеристики типичны и для электроламповых триодов. Поэтому их называют триодными. Внутреннее дифференциальное сопротивление R_{cu диф}, соответствующее таким характеристикам, невелико.

Изобразим стокозатворную характеристику (рис. 1.175).

Стокозатворные характеристики SIT отличаются про­тяженными линейными участками. Эта особенность ха­рактеристик и малое внутреннее сопротивление хорошо соответствуют требованиям, предъявляемым к транзисто­ру со стороны усилителей мощности звуковых частот вы-

сокого качества (класса HiFi — High Fidelity). Поэтому SIT широко используется в этих усилителях.

SIT широко применяется и в других устройствах сило­вой электроники. При этом он обычно работает в ключе­вом режиме.

Биполярный режим SIT. Если напряжение и_т становит­ся отрицательным, управляющий p-n-переход открывается и SIT переходит в режим работы, подобный режиму ра­боты биполярного транзистора. В этом режиме затвор игра­ет роль базы. Достоинством биполярного режима является малое напряжение между стоком и истоком в открытом со­стоянии. Но ток затвора при этом значителен. Кроме того, быстродействие транзистора в этом режиме существенно уменьшается из-за явления накопления и рассасывания чаряда неравновесных носителей электричества.

принцип работы, разновидности полупроводников, основные параметры силовых компонентов

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

История появления

Первые полевые транзисторы были разработаны в 1973 году, а уже спустя 6 лет появились управляемые биполярные модели, в которых использовался изолированный затвор. По мере совершенствования технологии существенно улучшились показатели экономичности и качества работы таких элементов, а с развитием силовой электроники и автоматических систем управления они получили широкое распространение, встречаясь сегодня практически в каждом электроприборе.

Сегодня используются электронные компоненты второго поколения, которые способны коммутировать электроток в диапазоне до нескольких сотен Ампер. Рабочее напряжение у IGBT — транзисторов колеблется от сотен до тысячи Вольт. Совершенствующие технологии изготовления электротехники позволяют выполнять качественные транзисторы, обеспечивающие стабильную работу электроприборов и блоков питания.

Основные характеристики

Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции. К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:

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

Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности. В регуляторах скорости применяются IGBT с частотой в десятки тысяч кГц, что позволяет обеспечить максимально возможную точность работы приборов.

Преимущества и недостатки

Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик. Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами, характеристиками и многочисленными преимуществами:

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

К недостаткам IGBT относят их высокую стоимость, что приводит к некоторому увеличению расходов на изготовление электроприборов и мощных блоков питания. При планировании схемы подключения с транзисторами этого типа необходимо учитывать имеющиеся ограничения по показателю максимально допустимого тока. Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:

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

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

Устройство и принцип работы

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

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

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

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

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

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

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

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

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

Сфера использования

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

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

Проверка исправности

Ревизия и тестирование IGBT полупроводников выполняется при наличии неисправностей электрических устройств. Такую проверку проводят с использованием мультитестера, прозванивая коллекторы и электроды с эмиттером в двух направлениях. Это позволит установить работоспособность транзистора и исключит отсутствие замыкания. При проверке необходимо отрицательно зарядить вход затвора, используя щупы мультиметров типа COM .

Для проверки правильности работы транзистора на входе и выходе затвора заряжают ёмкость положительным полюсом. Выполняется такая зарядка за счёт кратковременного касания щупом затвора, после чего проверяется разность потенциала коллектора и эмиттера. Данные потенциалов не должны иметь расхождение более 1,5 Вольта. Если тестируется мощный IGBT, а тестера не будет хватать для положительного заряда, на затвор подают напряжение питания до 15 Вольт.

Мощные модули

Силовые транзисторы изготавливаются не только отдельными полупроводниками, но и уже собранными готовыми к использованию модулями. Такие приспособления входят в состав мощных частотных преобразователей в управлении электромоторами. В каждом конкретном случае схема и принцип работы модуля будут различаться в зависимости от его типа и предназначения. Чаще всего в таких устройствах используется мост, выполненный на основе двух силовых транзисторов.

Стабильная работа IGBT обеспечивается при частоте 150 килогерц. При повышении рабочей частоты могут увеличиваться потери, что отрицательно сказывается на стабильности электроприборов. Силовые транзисторы все свои преимущества и возможности проявляют при использовании с напряжением более 400 Вольт. Поэтому такие полупроводники чаще всего применяют в промышленном оборудовании и электроприборах высокого напряжения.

Структура, эквивалентная схема и графическое обозначение биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), принцип действия, преимущества и недостатки

Структура IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistors) — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT.

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления — выводом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.-«-переход является последовательным диодом, блокирующим внутренний диод МОП-транзистора.

МОП-транзисторы имеют довольно большое сопротивление r_DS(ON) при номинальном напряжении выше 500 В. По этой причине сильно возрастают потери проводимости по сравнению с биполярными транзисторами с тем же номинальным напряжением. К тому же потери проводимости МОП-транзистора возрастают с ростом температуры в связи с увеличением сопротивления в открытом состоянии.

Слой р+ в IGBT инжектирует неосновные носители заряда в эпитаксиальный обеднённый слой n—, что улучшает проводимость области дрейфа и—. Этот эффект подобен эффекту, возникающему в биполярных транзисторах. Такая модуляция проводимости слоем р+ способствует тому, что падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии относительно постоянно во всей области рабочих напряжений.

Р-n-р-транзистор в IGBT полностью не насыщается, поэтому падение напряжения на нём в открытом состоянии никогда не бывает ниже падения напряжения на одном диоде и в типичных случаях составляет 1.0…3.0 В. Время запирания у IG ВТ намного лучше, чему биполярного транзистора, потому что в данном случае отсутствует накопление заряда, вызванное эффектом насыщения. Поток электронов в IGBT прекращается сразу же, как только снимается напряжение с затвора, но ток в дрейфовой области продолжает течь, пока не рекомбинируют все дырки. Базовый переход р-л-р-транзистора не имеет внешнего подключения, поэтому нет возможности создавать отрицательный ток базы, чтобы выводить из дрейфовой области неосновные носители заряда в процессе запирания. Вследствие этого при запирании возникает небольшой остаточный ток.

достоинства IGBT
1. при использовании на рабочее напряжение свыше 300v IGBT — дешевле
2. IGBT — имеют более высокую крутизну — нужно меньше энергии для их открывания/закрывания
3. IGBT-имеют меньше значение паразитных емкостей
4. IGBT-более радиационностойкие

недостатки IGBT
1. MOSFET — в открытом состоянии как резистор, который может быть очень маленьким, например, 1mOhm и при токе в 100А через него рассеиваемая мощность будет всего 10Watt, на IGBT при таком токе падение напряжения будет минимум 2v поэтому рассеиваемая мощность будет 200Watt.-сравни 10W и 200W
2. IGBT — может работать только в импульсном режиме включено/выключено и не может работать в линейном режиме как MOSFET
3. IGBT — имеет более высокие коммутационные потери чем MOSFET и не может работать на таких же высоких частотах как MOSFET
4. IGBT — менее надёжен— менее устойчив к перегрузкам по току и напряжению по сравнению с MOSFET, -при перегрузках по току и в случае лавинного пробоя в IGBT выделяется большая мощность при меньшем размере кристала и следовательно меньшим запасом теплоёмкости, не все IGBT в отличие от MOSFET могут работать в режиме лавинного пробоя(ораничения выходного напряжения), IGBT — более подвержены к выходу из строя из-за термоциклирования, IGBT — менее помехоустойчивые.

Поиск по сайту:

IGBT силовые транзисторы International Rectifier шестого поколения

Известно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) обладают преимуществами легкого управления полевыми МОП-транзисторами и низкими потерями проводимости, характерными для биполярных транзисторов. На рис. 1 показана эквивалентная схема IGBT-транзистора.

Рис. 1. IGBT можно представить как комбинацию биполярного p_n_p транзистора и MOSFET

Традиционно IGBT используют в тех случаях, где необходимо работать с высокими токами и напряжениями. IGBT-транзисторы в настоящее время выпускают десятки производителей. Среди них — Infineon Technologies, Semikron, International Rectifier, Fairchild Semiconductor, Toshiba, Hitachi, MITSUBISHI, FUJI, IXYS, Power Integration, Dynex Semiconductor и другие.

В конце 1980-х годов было создано первое поколение IGBT-транзисторов, а уже в начале 1990-х появились второе и третье. Прогресс в технологии IGBT шел по линии увеличения рабочих напряжений и токов, а также повышения эффективности преобразования за счет снижения потерь мощности на кристалле как в статическом, так и в динамическом режимах. Происходило и удешевление приборов. К настоящему времени и для серийного производства уже используются технологии четвертого, пятого и шестого поколений IGBT-транзисторов. Следует отметить, что нумерация поколений достаточно условна и у разных фирм может отличаться.

Развитие технологии IGBT-транзисторов фирмой IR

Компания International Rectifier является признанным лидером в разработке и производстве высококачественных силовых полупроводниковых приборов. Диапазон продукции IR достаточно широк и объединяет в себе различные направления. Это и дискретные устройства (биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), мощные полевые транзисторы (MOSFET) и модульные сборки на основе кристаллов дискретных элементов, а также ИМС для управления энергосберегающими источниками света, силовые ИМС для электронных балластов люминесцентных ламп и ламп высокого давления, микросхемы драйверов IGBT и MOSFET, включая высоковольтные микросхемы HVIC, продукты на базе интегрированной платформы IMotion и цифровые контроллеры для управления электроприводом, продукты платформы SupIRBuck, микроэлектронные твердотельные реле. В настоящий момент фирма выпускает широкую номенклатуру IGBT, для производства которых используются технологии 4-го (4 PT IGBT), 5-го (5 Non-PT IGBT) и 6-го поколений (DS Trench IGBT). Для первых двух технологий в полевом транзисторе используется планарный затвор, а в последнем (DS Trench) — вертикальный. Собственно, структуры приборов для данных технологий разработаны уже давно и используются производителями на протяжении многих лет. Все дело в нюансах, которые дают возможность производителю реализовать те или иные преимущества технологии. И цена производства кристалла имеет не последнее значение. На рис. 2 показана эволюция технологии IGBT-транзисторов фирмы IR.

Рис. 2. Эволюция технологии IGBT-транзисторов в IR

Новые транзисторы оптимизированы для работы на частотах переключения до 20 кГц, и для снижения энергии потерь на проводимости и переключении в них использована Trench-технология. Эти IGBT с антипараллельным ультрабыстрым диодом имеют энергию переключения ETS и более низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер V_CE(on), чем IGBT PT и NPT типа. Кроме того, ультрабыстрый диод с мягким восстановлением дополнительно повышает эффективность преобразования и снижает уровень генерируемых помех.

Технология с вертикальным затвором

Для данного типа технологии затвор полевого транзистора сформирован в виде глубокой канавки (trench gate) на подложке (рис. 2). При изготовлении Trench-FS (Field Stop) транзисторов используется буферный n+ слой в основании подложки. В сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера структура затвора позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки и уменьшить напряжение насыщения транзисторов Trench-FS на 30% по сравнению с транзисторами, созданными по технологии NPT. Уменьшается почти на 70% и площадь кристалла, обеспечивается большая плотность тока транзистора.

Технология Trench немного сложнее и дороже, чем NPT. Однако уменьшение размера кристалла Trench-FS снижает его удельную себестоимость, что в итоге позволяет уравнять цены на готовую продукцию по отношению к аналогичным приборам, производимым по другим технологиям. Кроме того, благодаря снижению энергии потерь, при равноценной площади кристалла существенно возрастает ток транзистора (до 60%).

У вертикального затвора, в отличие от пла-нарного, отсутствуют горизонтальные пути протекания тока. Ток течет к коллектору по кратчайшему пути, что обеспечивает снижение потерь на проводимость. Trench IGBT имеют самый низкий уровень статических и динамических потерь среди IGBT, производимых компанией. У новых Trench IGBT благодаря уменьшению длины «хвоста» обеспечивается более плавная траектория переключения, чем у NPT IGBT. «Хвостом» (tail current) называется остаточный ток коллектора биполярного транзистора IGBT, возникающий из-за рассасывания носителей в области базы после запирания транзистора. Благодаря этому энергия выключения стала на 10-20% ниже, чем у NPT IGBT.

Линейка 600 В IGBT-транзисторов Trench 6-го поколения

Семейство 600-вольтовых Trench IGBT в первую очередь ориентировано на использование в UPS-источниках и преобразователях солнечной энергии мощностью до 3 кВт. Силовые приборы этого семейства могут также служить эффективной заменой аналогичных IGBT-транзисторов в системах управления приводом компрессоров в холодильниках, индукционных системах нагрева, а также в приводах мощных вентиляторов. Приборы позволяют на 30% снизить мощность рассеивания по сравнению с IGBT других типов. Компания разработала линейку из 8 приборов в корпусах TO-220TO-247, с рабочим напряжением 600 В и токами 4-48 А.

Для всех типов данных транзисторов используются кристаллы толщиной 70 мкм. Гарантированное время выдержки режима короткого замыкания — не менее 5 мкс для всех типов линейки.

Все корпусированные приборы выполнены по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипараллельный ультрабыстрый диод). Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Система обозначений для IGBT-транзисторов Trench

Для ранее разработанных IGBT-транзисторов использовалась следующая система обозначений (рис. 3).

Рис. 3. Первая система обозначений для транзисторов IGBT IR

В данной системе обозначений присутствует суффикс, определяющий подкласс по быстродействию прибора (таблица 2).

В процессе разработки новых приборов возникла необходимость введения добавочных суффиксов, определяющих дополнительные параметры транзисторов, поэтому система обозначений была изменена (рис. 4). Эта система, в частности, использовалась для маркировки 600 В Trench IGBT.

Рис. 4. Система обозначений для 600 В Trench IGBTтранзисторов

После разработки технологии 1200 В Trench IGBT (Gen 6.3+) фирма ввела новую систему обозначений для новых IGBT-транзисторов 4-го и 6-го поколений, которая показана на рис. 5. Для ранее разработанных 600 В транзисторов пока сохраняется маркировка, приведенная на рис. 4.

Рис. 5. Система обозначений для поколения Gen 6.3+

Преимущества транзисторов по технологии Trench

Напряжение в открытом состоянии U_ce на 30% ниже аналогичного параметра для транзисторов 4-го и 5-го поколений и обеспечивает меньше рассеяние энергии на кристалле и нагрев, повышается эффективность преобразования энергии. Меньшая емкость затвора обеспечивает большее быстродействие, упрощает управление транзистором и снижает уровень динамических потерь.

Квадратная (Square) форма зоны допустимых режимов безопасной работы обеспечивает большую надежность прибора при работе с критическими токами и напряжениями. Незначительный остаточный ток выключения и малые потери выключения (E_OFF) позволяют транзисторам работать на более высоких частотах. На рис. 6 показаны сравнительные характеристики допустимой рассеиваемой мощности на кристалле для транзисторов Trench и IGBT-транзисторов с планарным затвором.

Рис. 6. Зависимость рассеиваемой мощности от среднеквадратичного выходного тока

Более высокая допустимая температура кристалла (175 °С) обеспечивает расширение диапазона рабочих температур и повышает надежность прибора. Температура радиатора при аналогичных режимах работы у транзистора Trench будет ниже. Меньшие размеры корпуса транзисторов Trench в сочетании с сокращением размеров радиатора позволяют ужать печатную плату.

Параметры транзисторов 6-го поколения обеспечивают более эффективное преобразование энергии и могут быть рекомендованы в качестве замены транзисторов 4-го и 5-го поколений соответствующей мощности, а также аналогичных транзисторов других производителей.

Технология с вертикальным затвором стала разрабатываться компанией International Rectifier уже тогда, когда на рынке получили широкое распространение Trench IGBT других производителей, в том числе и ведущих в данном секторе фирм — Infineon и Toshiba. Поэтому в процессе разработки линейки нового поколения IGBT-транзисторов перед специалистами IR стояла сложная задача достижения высоких параметров в сочетании с низкой ценой, что позволило бы обеспечить конкурентоспособность продукции на рынке.

Сравнение параметров IGBT-транзисторов 6-го поколения IR с аналогичными Trench IGBT-транзисторами Infineon и Toshiba показало, что по комплексу качеств они не уступают конкурентам, а по отдельным характеристикам даже превосходят их.

Однако следует признать тот факт, что по некоторым параметрам IGBT-транзисторы Infineon сохранили превосходство над транзисторами IR. Проверка по методике International Rectifier показала, что напряжение U_ce в открытом состоянии для отдельных типов транзисторов Trench IGBT фирмы Infineon меньше на 30%, чем у аналогичных по мощности транзисторов IR. Быстродействие транзисторов IR оказалось немного хуже, чем у транзисторов Infineon, но намного лучше, чем у Trench IGBT фирмы Toshiba.

В настоящее время фирма Infineon является лидером в разработке IGBT-технологий, и проигрыш International Rectifier носит скорее временный характер. В планах разработчиков в ближайшее время достичь уровня Uсе и обеспечить быстродействие не хуже, чем у Infineon. В таблице 5 приведены аналоги транзисторов IR и Infineon для выбора альтернативной замены.

1200-вольтовые Trench IGBT

Первые члены этого модельного ряда транзисторов были представлены на рынке в начале 2009 г. В таблице 6 приведены параметры линейки IGBT-транзисторов IR с рабочим напряжением 1200 В.

Области применения 600 и 1200 В IGBT-транзисторов 6-го поколения

Применение Trench IGBT-транзисторов позволяет повысить эффективность работы силовых модулей в различных приложениях. Области применения Trench IGBT:

• АС/DC, DC/AC-преобразователи;
• инверторы солнечных батарей;
• системы индукционного нагрева;
• преобразователи напряжений в гибридных автомобилях;
• электропривод в стиральных машинах;
• электронный балласт в модуле управления ксеноновым светом автомобильных фар;
• управление компрессором холодильника;
• формирователь высокого напряжения в микроволновых печах;
• электропривод компрессоров кондиционера;
• инверторы сварочных аппаратов.

В таблице 7 приведены требования, предъявляемые к параметрам IGBT-транзисторов для различных приложений.

Ниже будут более подробно рассмотрены примеры использования Trench IGBT, обеспечивающие эффективность готового устройства.

Инвертор 220 В для солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи нашли активное применение как источник электроэнергии, объемы их продаж год от года неуклонно растут. Солнечные батареи образованы из модулей солнечных фотоэлементов, обеспечивающих напряжение от 12 до 100 В и рабочие токи до нескольких десятков ампер. В промышленных применениях (например, опреснители морской воды) используются солнечные батареи с выходным напряжением от 24 до 100 В и мощностью в несколько киловатт. Схема преобразования солнечной энергии такова: солнечная батарея—буферный аккумулятор—инвертор (DC/AC-конвертор) 220/380 В—промышленная установка, питающаяся от сети 220/380 В. На рис. 7 показана структура DC/AC-инвертора для солнечных батарей.

Рис. 7. Структура инвертора для питания от солнечных батарей

А на рис. 8 приведен конкретный пример реализации инвертора мощностью 500 Вт с использованием силовых элементов IR, в том числе и Trench IGBT-транзисторов 6-го поколения, обеспечивающих более высокую эффективность преобразования солнечной энергии.

Рис. 8. Инвертор для солнечной батареи мощностью 500 Вт

В схеме используются микросхемы и дискретные транзисторы IR:

• 600 В Trench IGBT-транзистор IRGB4056DPBF;
• 100 В DirectFET транзисторы, IRF6644;
• генератор для управления мостовой схемой IR2086S;
• 600 В микросхема полумостового драйвера IRS2184S.

Для синтеза 50 Гц используется частота ШИМ 20 кГц.

На рис. 9 показана демо-плата инвертора, собранного по данной схеме. Размер платы около 100×40 мм.

Рис. 9. Демо-плата 500 Вт 220 В инвертора для солнечной батареи

Управление электроприводом

На рис. 10 показана типовая схема управления асинхронным электродвигателем. Модуль управления может быть использован в стиральных машинах, компрессорах холодильников или кондиционеров. В качестве силовых ключей в схеме используются Trench IGBT-транзисторы.

Рис 10. Типовая схема интеллектуального привода для асинхронного двигателя мощностью от 250 Вт до 2 кВт

Драйверы плазменных матричных панелей

Для управления поджигом и гашением разряда в пикселях матричной плазменной панели требуется формирование высоковольтных сигналов сложной формы. IGBT-транзисторы идеально подходят в качестве ключевых элементов для реализации гибридных многовыходных драйверов в плазменной панели. Матричная система пикселей плазменной панели с точки зрения управления представляет собой емкостную нагрузку. Ключевые приборы для таких устройств должны быстро включаться, обеспечивать высокие импульсные токи и иметь низкое падение напряжения в открытом состоянии.

На рис. 11 показана структура плазменной панели.

Рис. 11. Структура плазменной панели

На рис. 12 показана схема управления пикселем плазменной панели.

Рис. 12. Схема управления одним пикселем в плазменной панели на базе IGBT-ключей

Схема обеспечивает синтез сигналов сложной формы с большим диапазоном напряжений (от -150 до +400 В) и импульсных токов.

Заключение

В первую очередь транзисторы Trench IGBT могут использоваться в качестве альтернативной замены аналогичных приборов, ранее разработанных компанией International Rectifier, обеспечивая увеличение эффективности преобразования энергии и снижение цены готового устройства.

Транзисторы Trench IGBT могут с успехом заменять все равноценные по мощности типы транзисторов 4-го и 5-го поколений IGBT, если только значение параметра SCSOA спецификации — 5 uS окажется приемлемым для данных применений. Во всех случаях при замене будет обеспечена лучшая эффективность преобразования, а также большая плотность мощности. Транзисторы 6-го поколения IGBT IR могут использоваться и в качестве недорогой альтернативы аналогичным приборам, выпускаемым другими производителями. Поколение Trench IGBT позволяет сбалансировать потери на переключениях и проводимости и использовать биполярные транзисторы с изолированным затвором в области высоких частот вместо полевых МОП-транзисторов, одновременно обеспечивая высокий КПД. Преимущества IGBT-транзисторов 6-го поколения позволят им потеснить, а по мере совершенствования технологии IGBT и вовсе заменить полевые МОП-транзисторы в импульсных источниках питания.

1. Транзисторы Trench IGBT шестого поколения. Башкиров В. // Новости электроники. 2007. № 7.
2. Силовые IGBT-модули Infineon Technologies. Анатолий Б. // Силовая электроника. 2008. № 2.
3. IGBT или MOSFET? Проблема выбора. Евгений Д. // Электронные компоненты. 2000. № 1.
4. Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением. Александр П. // Современная электроника. 2004. № 4.
5. Транзисторы IGBT. Новинки от компании International Rectifier. Волошанская Е. // Электроника: НТБ. 2005. № 5.
6. AC TIG Welding: Output Inverter Design Basics. Roccaro A., Filippo R., Salato M. Application Notes AN-1045
7. IGBT Characteristics. Application Note AN-983.

— основы, характеристики, схема переключения и приложения

IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором , комбинация биполярного переходного транзистора (BJT) и Металлооксидный полевой транзистор (MOS-FET) . Это полупроводниковое устройство, используемое для переключения связанных приложений.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию полевого МОП-транзистора и транзистора , он имеет преимущества обоих транзисторов и полевого МОП-транзистора.MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а с другой стороны, BJT имеет преимущество в высоком усилении и низком напряжении насыщения, оба присутствуют в транзисторе IGBT. IGBT — это полупроводник с регулируемым напряжением , который обеспечивает большие токи коллектора-эмиттера с почти нулевым током затвора.

Как уже говорилось, IGBT имеет преимущества как MOSFET, так и BJT, IGBT имеет такой же изолированный затвор, как и типичные MOSFET, и такие же выходные характеристики передачи. Хотя BJT является устройством с управлением по току, но для IGBT управление зависит от MOSFET, поэтому это устройство с управлением напряжением, эквивалентное стандартным MOSFET.

Схема эквивалента

На изображении выше показана эквивалентная схема IGBT. Такая же структура схемы используется в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены одинаковым образом. Как мы можем видеть на изображении выше, IGBT объединяет два устройства, N-канальный MOSFET и PNP-транзистор . N-канальный MOSFET управляет PNP-транзистором. Выводы стандартного BJT включают коллектор, эмиттер, базу, а стандартный вывод MOSFET включает затвор, сток и исток.Но в случае контактов IGBT транзистора , это Gate , который поступает от N-канального MOSFET, а Collector и Emitter исходят от PNP-транзистора.

В транзисторе PNP коллектор и эмиттер являются проводящими путями, а когда IGBT включен, они проводят ток через него. Этот путь контролируется N-канальным MOSFET.

В случае BJT, мы вычисляем коэффициент усиления, который обозначается как Beta ( ), путем деления выходного тока на входной.

  β = выходной ток / входной ток  

Но, как мы знаем, полевой МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор полевого МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета усиления BJT, не применима для технологии MOSFET. Затвор полевого МОП-транзистора изолирован от пути прохождения тока. Напряжение затвора полевого МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой отношение изменений выходного напряжения к изменениям входного напряжения.Это верно для IGBT. Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменений выходного тока к изменениям входного напряжения затвора .

Из-за возможности высокого тока большой ток BJT контролируется напряжением затвора MOSFET.

На изображении выше показан символ IGBT . Как мы видим, символ включает в себя коллектор-эмиттерную часть транзистора и затворную часть полевого МОП-транзистора. Эти три терминала показаны как Gate, Collector и Emitter.

В проводящем или включенном режиме « ON » ток протекает от коллектора к эмиттеру . То же самое происходит с транзистором BJT. Но в случае с IGBT вместо базы стоит Gate. Разница между напряжением затвора и эмиттера называется Vge , а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .

Ток эмиттера (Ie) почти такой же, как ток коллектора (Ic) , Ie = Ic .Поскольку ток в коллекторе и эмиттере относительно одинаков, у Vce очень низкий ток.

Узнайте больше о BJT и MOSFET здесь.

  I  RL2  = V  IN  / R  S