IGBT транзисторы принцип работы

IGBT транзистор работа и устройство

IGBT транзистор работа и обозначение на схемах

Принцип работы IGBT транзистора кроется в том, что полевой транзистор осуществляет управление мощным биполярным. Поэтому переключение мощной нагрузки может происходить при низкой управляющей мощности, так как управляющий сигнал приходит на затвор полевого транзистора.

Внутренняя структура такого прибора – это каскадное подсоединение двух электронных входных ключей, управляющих оконечным плюсом. На рисунке ниже показана упрощенная схема БТИЗ транзистора

Алгоритм работы их может быть представлен двумя действиями: как только поступает положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой тр-тор, и образуется n — канал между стоком и истоком . При этом начинается движение зарядов из n области в p, что приводит к открытию биполярной части, в результате через эмиттера — коллектор течет ток.

Поскольку этот транз-тор обладает комбинированную структуру из полевого и биполярного, то и его выводы называются затвор — З ( G-управляющий электрод), эмиттер (Э)(E) и коллектор (К)(C).

Упомянутые выше свойства позволяют использовать IGBT в инверторах, частотно-регулируемых приводах, в импульсных регуляторах тока. Их стали активно применять в устройствах сварочного тока, в управлении мощными электроприводами, на жд транспорте в электролокомотивах и современных трамваях и троллейбусах, в том числе и российского производства, в медицинской технике например в рентгеновских питающих устройствах флюорографа ФМЦ. Используя БТИЗ в схемах значительно увеличивается КПД и обеспечивается высокая плавность хода.

Стоит сказать, что силовые модули IGBT и MOSFET часто являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов обычно применяют транзисторы MOSFET, а в мощных высоковольтных – IGBT.

IGBT транзисторы прекрасно работают при частотах до 20-50 килогерц, но при более высоких значениях у них увеличиваются потери. Лучше всего возможности IGBT транзисторов видны при рабочем напряжении от 300-400 вольт и выше. Поэтому БТИЗ чаще всего встречаются в высоковольтных и мощных электроустройствах.

IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

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

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

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

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

Основные параметры

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

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

Достоинства

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

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

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

Устройство и работа

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

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:

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

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

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

Сфера использования

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

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

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

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

Проверка исправности

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

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

Условное обозначение

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

IGBT модули

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

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

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

Из истории возникновения

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

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

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

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети ( uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1 ).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения ( uвыпр.) используется фильтр (2 ). Выпрямитель и емкостный фильтр (2 ) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3 ).
Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1 ) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4 ) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

Перейдите в разделы, приведенные ниже, выберите необходимое оборудование и положите его в корзину. — Преобразователи частоты
— Оборудование для плавного пуска

• ИЗДЕЛИЯ
  • преобразователи частоты (частотные преобразователи, частотники)
    • принцип действия
    • структура частотников
    • выбор преобразователя частоты
    • пример применения преобразователей частоты с насосами
    • пример применения станции управления насосами
    • подбор преобразователя частоты
  • оборудование для плавного пуска и энергосбережения
    • устройства плавного пуска (УПП, плавные пускатели, мягкие пускатели, устройства мягкого пуска, софтстартеры)
      • принцип действия
      • плавный пуск насосов
    • подбор устройств плавного пуска
    • контроллеры ЭнерджиСейвер
      • принцип действия
      • области применения
      • реализованные проекты
      • отзывы
    • контроллеры Powerboss
      • примеры применения

для преобразователей частоты серий ES022, ES024, ES025 и ES026

IGBT транзисторы принцип работы

Москатов Е. А. Книга «Электронная техника. Начало»

6. Биполярные транзисторы с изолированными затворами

6.1. Общие сведения о БТИЗ

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) – по-английски «insulated gate bipolar transistor» или сокращённо IGBT – это компонент, управление которым, как полевым транзистором, осуществляют напряжением, а протекание тока по силовым выводам коллектора и эмиттера обусловлено, как у биполярного транзистора, движением носителей зарядов обоих типов. В едином технологическом цикле в полупроводнике организуют структуры мощного биполярного p-n-p транзистора, которым управляет МОП-транзистор малой мощности, имеющий n-канал. Выводы БТИЗ носят названия затвора, коллектора и эмиттера.

Достоинства: возможность коммутации токов в тысячи ампер и допустимость прикладывания постоянного напряжения коллектор-эмиттер в несколько киловольт к запертому транзистору. Если напряжение коллектор-эмиттер запертого БТИЗ превышает приблизительно 600В, то падающее на выводах коллектор-эмиттер открытого БТИЗ напряжение насыщения обычно меньше по сравнению с полевыми транзисторами той же ценовой группы.

Недостатки: даже наименее инерционные БТИЗ предназначены для функционирования на много более низкой частоте, нежели полевые транзисторы, причём чем выше частота, тем ниже максимально допустимая амплитуда тока коллектора транзистора. При этом БТИЗ по частотным свойствам подразделяют на группы. При изготовлении БТИЗ помимо необходимого биполярного p-n-p транзистора возникает ещё и паразитный биполярный n-p-n транзистор, и они совместно образуют структуру тиристора. Это отражено на эквивалентной схеме БТИЗ, изображённой на рис. 6.1, где компонент VT2 – это паразитный транзистор.

При высокой скорости переключения компонента или при протекании по выводам коллектор-эмиттер короткого импульса тока большой амплитуды и прочего структура тиристора в БТИЗ может самопроизвольно перейти в открытое состояние. При этом БТИЗ теряет управляемость, и транзистор, как и устройство, в котором он работал, могут выйти из строя.

Прикладывая отпирающее напряжение к выводам затвор-эмиттер, БТИЗ из отсечки переводят в состояние насыщения, сопротивление коллектор-эмиттер падает, и по этим выводам течёт ток нагрузки. Если напряжение затвор-эмиттер отсутствует, то транзистор имеет состояние отсечки, в котором ток через выводы коллектор-эмиттер практически отсутствует. Таким образом, БТИЗ – это полностью управляемые компоненты. Современные силовые модули БТИЗ выдерживают прямой ток коллектора силой до 1,8 кА, напряжение коллектор-эмиттер в закрытом состоянии до 4,5 кВ. БТИЗ обычно используют в качестве электронных ключей в импульсных преобразователях, например, инверторных сварочных аппаратов, в системах управления электродвигателями и т.д.

6.2. Конструкция и принцип действия БТИЗ

Простейшая структура БТИЗ планарного исполнения отражена на рис. 6.2.

Из рисунка видно, что на металлическом основании, к которому присоединён вывод коллектора, расположена подложка p + , а на ней находятся два n-слоя. Эти слои понижают коэффициент усиления p-n-p структуры мощного биполярного транзистора. Ближайший к подложке n + -слой необходим для снижения вероятности самопроизвольного отпирания тиристорной структуры. Более удалённый от подложки n – -слой претворяют в жизнь эпитаксиальным наращиванием или другими способами. Подложка p + играет роль эмиттера биполярного p-n-p транзистора, область n – -слоя – его базы, а область p-типа, к которой подключают вывод эмиттера БТИЗ, – его коллектора. Над n – -слоем расположена p-область, которая выполняет функцию канала управляющего МОП-транзистора, затвор которого выполнен из поликристаллического кремния и изолирован от полупроводника эмиттерной области слоем оксида SiO₂. В этой канальной p-области размещены n + -зоны, которые выступают в качестве стока МОП-транзистора, а его истоком служит n – -область. Затвор структуры МОП-транзистора соединён с выводом затвора БТИЗ.

Если на затвор БТИЗ относительно эмиттера подать напряжение положительной полярности, отпирающее компонент, то это приведёт вначале к открыванию под воздействием электрического поля структуры МОП-транзистора и инжекции электронов в её канал. В результате возникает инжекция носителей заряда в n – -слой, служащий базой структуры биполярного p-n-p транзистора, которая переходит в состояние насыщения. Таким образом, вначале происходит отпирание структуры МОП-транзистора, а лишь затем структуры биполярного p-n-p транзистора. Сопротивление коллектор-эмиттер открытого БТИЗ имеет очень малую величину, а по выводу коллектора компонента течёт ток нагрузки.

Если убрать поданное ранее отпирающее напряжение на выводы затвор-эмиттер БТИЗ, то канал в структуре МОП-транзистора исчезает, в n – -слое происходит снижение концентрации носителей зарядов ввиду рекомбинации. Рекомбинация – процесс не мгновенный; пока она идет, транзистор не закрыт. Лишь по завершении рекомбинации БТИЗ переходит в состояние отсечки.

6.3. Основные параметры БТИЗ

К наиболее важным параметрам IGBT относят следующее:

Длительность включения и выключения транзистора, мкс.

Ёмкости затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер и затвор-коллектор при заданном напряжении коллектор-эмиттер, нФ.

Заряд затвора транзистора, нКл.

Максимально допустимую температуру нагрева кристалла транзистора, °C.

Максимальную мощность рассеяния, Вт.

Напряжение насыщения, т.е. напряжение между выводами коллектор-эмиттер открытого транзистора, В.

Предельно допустимый импульсный ток коллектора при температуре 25 °C, А.

Предельно допустимый постоянный ток коллектора при температуре 25 °C, А.

Предельную скорость нарастания напряжения, не приводящую к самопроизвольному открыванию транзистора, dU / dt.

Тепловое сопротивление переход-корпус, °C / Вт.

Энергии включения, выключения и переключения, мДж.

Особенности IGBT компании STMicroelectronics

IGBT-транзисторы компании ST

Все выпускаемые компанией ST IGBT транзисторы можно разделить на три основные категории:

1. IGBT с рабочим напряжением 400 В для силовых инверторов,

2. IGBT с рабочим напряжением 600 В для мостовых и полумостовых драйверов управления электродвигателями в стационарных устройствах,

3. IGBT с рабочим напряжением 900. 1300 В для силовых модулей и систем управления электродвигателями электромобилей.

Наиболее массовой является категория транзисторов с рабочим напряжением 600 В.

В начале 1980-х годов была создана полупроводниковая технология, объединяющая преимущества высокого входного сопротивления МОП-транзисторов и низкого сопротивления и малого времени переключения биполярных транзисторов. Выпускаемые по этой технологии приборы получили название «биполярный транзистор с изолированным затвором» (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT). Транзисторы быстро заняли достойное место на рынке приложений, для которых требовалось большой рабочий ток (десятки Ампер), высокое рабочее напряжение (400 В и более) и высокая частота переключения (более 100 кГц). Основными производителями IGBT-транзисторов являются компании IR, Fairschild, Infineon и ST.

Что такое IGBT-транзисторы?

Биполярные транзисторы с изолированным затвором — это приборы на неосновных носителях заряда с высоким входным импедансом, характерным для полевых транзисторов, и большим допустимым током в открытом состоянии, характерным для биполярных транзисторов. Большинство разработчиков рассматривают IGBT как приборы с входными характеристиками МОП-транзисторов и выходными характеристиками биполярных транзисторов, которые объединены в управляемый напряжением биполярный транзистор. Транзисторы со структурой IGBT были созданы, чтобы использовать преимущества силовых MOSFET и биполярных транзисторов. В результате появились приборы с функциональной интеграцией силовых MOSFET и биполярных транзисторов в монолитном виде. IGBT соединяют в себе лучшие качества обоих типов.

IGBT можно использовать во многих приложениях силовой электроники, особенно в драйверах систем управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для сервомоторов и трехфазных асинхронных двигателей, для которых требуется большой динамический диапазон управления и малый уровень электромагнитных помех. Кроме того, IGBT можно использовать в источниках бесперебойного питания (ИБП, UPS), импульсных источниках питания (SMPS), и других силовых схемах, для которых требуется высокая частота переключения. IGBT позволяют улучшить динамическую производительность и эффективность, и уменьшают уровень электромагнитных излучений. Они великолепно подходят для схем конвертеров, работающих в резонансном режиме.

Доступны IGBT, оптимизированные как для низких значений потерь, связанных с конечной проводимостью, так и для низких значений потерь, связанных с зарядом переключения.

IGBT, по сравнению с силовыми MOSFET и биполярными транзисторами имеют следующие основные преимущества:

1. В открытом состоянии из-за модуляции проводимости они имеют очень маленькое падение напряжения и чрезвычайно большую допустимую плотность. Возможность изготовления транзисторов в миниатюрных корпусах значительно снижает их стоимость.

2. Малая мощность управления и простая схема управления за счет МОП-структуры входного каскада. Обеспечивают возможность более простого управления, чем для приборов с токовым управлением (тиристор, биполярный транзистор) в высоковольтных и высокочастотных приложениях.

3. Широкая область надежной работы (SOA). Приборы имеют большую возможность проводить ток по сравнению с биполярными транзисторами. Кроме того, транзисторы хорошо проводят ток в прямом направлении и практически не проводят в обратном.

Поставляемые компоненты

Электронные компоненты для разработки и производства. Харьков, Украина

радиошоп, radioshop, радио, радиодетали, микросхемы, интернет, завод, комплектующие, компоненты, микросхемы жки индикаторы светодиоды семисегментные датчики влажности преобразователи источники питания тиристор симистор драйвер транзистор, диод, книга, приложение, аудио, видео, аппаратура, ремонт, антенны, почта, заказ, магазин, интернет — магазин, товары-почтой, почтовые услуги, товары, почтой, товары почтой, каталог, магазин, Internet shop, база данных, инструменты, компоненты, украина, харьков, фирма Космодром kosmodrom поставщики электронных компонентов дюралайт edison opto светодиодное освещение Интернет-магазин радиодеталей г.Харьков CREE ATMEL ANALOG DEVICES АЦП ЦАП

IGBT транзисторы принцип работы

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

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

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

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

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

Немного истории

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

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

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

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

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

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

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

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

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

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

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

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

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

Применение IGBT-транзисторов

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

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

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

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

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

Ранее ЭлектроВести писали, что н емецкие 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.

IGBT транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором

Недостатком биполярных транзисторов является довольно большая мощность их управления. С другой стороны, полевые транзисторы имеют малую мощность управления, но способны усиливать лишь незначительные токи. Чтоб максимально использовать преимущества каждого из этих типов устройств и уменьшить количество их недостатков были разработаны биполярные транзисторы с изолированным затвором.

В технической литературе эти устройства получили название IGBT транзисторов, от английского Insulated Gate Bipolar Transistor (что в переводе на русский – биполярный транзистор с изолированным затвором).

Если посмотреть уже рассматриваемую нами схему полевого транзистора типа МДП с наведенным каналом, то можно увидеть, что участки истока и стока, которые имеют n-проводимость, вместе с базовой частью р-проводимости создают двухпереходную структуру, которая характерна для биполярного транзистора типа n-p-n. Можно считать, что полевой транзистор с наведенным каналом имеет в то же время все признаки биполярного, как это показано ниже:

Резистор R1 учитывает внутреннее объемное сопротивление р-полупроводника. Если создать в этом устройстве еще один p-n переход с участком, что принадлежит стоку (коллектору), получим схему показанную ниже:

В этой схеме мы получим два биполярных прибора включенных таким образом, что база Т1 в это же время является коллектором Т2, а база Т2 – коллектором Т1. Резистор R2 при этом учитывает сопротивление канала полевого транзистора.

Работа этого устройства объясняется следующим образом – когда к затвору поступает входной сигнал с положительной полярностью, в полевом транзисторе увеличивается стоковый ток. Но он протекает от плюсового вывода источника приложенного напряжения через базу Т2, что вызывает возрастание тока коллектора Т2. Этот ток в это же время является током базы Т1, что вызовет возрастание тока коллектора Т1. Последний в свою очередь проходит через базу Т2, вызывая при этом возрастание тока коллектора данного элемента. Оба элемента друг друга усиливают, что и приводит к значительным изменениям выходного тока через эмиттер Т2 при очень малом возрастании напряжения на затворе полевого элемента. Таким образом получают значительные изменения выходной величины со значительной мощностью, и в то же время прибор почти не требует энергии на управление. Ниже показано обозначение IGBT транзистора на схеме:

В последнее время IGBT элементы получили очень широкое применение в силовой электронике. Область их применения постоянно растет, и IGBT элементы появляются в новых устройствах, вытесняя при этом другие полупроводниковые элементы – тиристоры.

IGBT транзисторы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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