Igbt транзисторы принцип работы. IGBT транзисторы: принцип работы, характеристики и применение в силовой электронике

Как устроены IGBT транзисторы. Каков принцип их работы. Какие преимущества и недостатки они имеют. Где применяются IGBT транзисторы в современной силовой электронике. В чем их отличие от других типов транзисторов.

Структура и принцип работы IGBT транзистора

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) — биполярный транзистор с изолированным затвором — это мощный полупроводниковый прибор, сочетающий в себе свойства биполярного и полевого транзисторов. Его структура включает в себя четыре полупроводниковых слоя:

• p+ подложка (коллектор)
• n- эпитаксиальный слой
• p-область (база)
• n+ эмиттер

Принцип работы IGBT основан на управлении током через структуру p-n-p транзистора с помощью напряжения, прикладываемого к изолированному затвору. При подаче положительного напряжения на затвор в приповерхностной области n- слоя образуется инверсный канал, через который протекает ток электронов. Это приводит к инжекции дырок из p+ подложки в n- область. В результате в структуре возникает биполярное усиление тока.

Основные характеристики IGBT транзисторов

IGBT транзисторы характеризуются следующими ключевыми параметрами:

• Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (обычно до 1200-6500 В)
• Максимальный ток коллектора (от единиц до тысяч ампер)
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (1.5-3 В)
• Время включения и выключения (единицы микросекунд)
• Область безопасной работы

Какие преимущества дает использование IGBT по сравнению с другими типами транзисторов? Основные достоинства:

• Малая мощность управления
• Высокая нагрузочная способность по току
• Малые потери во включенном состоянии
• Высокая скорость переключения
• Простота параллельного соединения

Применение IGBT транзисторов в силовой электронике

Благодаря своим уникальным характеристикам, IGBT транзисторы нашли широкое применение в различных областях силовой электроники:

• Преобразователи частоты для управления электродвигателями
• Источники бесперебойного питания большой мощности
• Сварочные инверторы
• Импульсные источники питания
• Системы индукционного нагрева
• Преобразователи для солнечной и ветроэнергетики
• Тяговый электропривод электромобилей и электропоездов

В этих применениях IGBT обеспечивают высокую эффективность преобразования энергии при работе на высоких частотах коммутации.

Отличия IGBT от других типов транзисторов

Чем IGBT отличаются от биполярных и полевых транзисторов? Основные различия:

• От биполярных транзисторов:
  • Управление напряжением, а не током
  • Более высокая скорость переключения
  • Отсутствие эффекта накопления заряда
• От MOSFET:
  • Более высокая допустимая плотность тока
  • Меньшее сопротивление открытого канала
  • Возможность работы при более высоких напряжениях

Таким образом, IGBT сочетают лучшие свойства биполярных и полевых транзисторов, что делает их оптимальным выбором для многих применений в силовой электронике.

Особенности применения IGBT в силовых преобразователях

При проектировании силовых преобразователей на IGBT необходимо учитывать ряд особенностей:

• Выбор транзисторов с оптимальным соотношением статических и динамических потерь
• Обеспечение эффективного отвода тепла от кристаллов
• Защита от перенапряжений при коммутации индуктивной нагрузки
• Оптимизация цепей управления затвором для снижения коммутационных потерь
• Обеспечение равномерного распределения тока при параллельном соединении

Правильный учет этих факторов позволяет создавать высокоэффективные преобразователи с высокой удельной мощностью.

Современные тенденции в развитии IGBT технологии

Основные направления совершенствования IGBT транзисторов включают:

• Снижение потерь проводимости и переключения
• Повышение рабочих частот
• Увеличение плотности тока
• Расширение области безопасной работы
• Повышение устойчивости к коротким замыканиям
• Интеграция защитных и управляющих цепей

Перспективным направлением является также создание IGBT на основе широкозонных полупроводников, таких как карбид кремния. Это позволит существенно улучшить характеристики транзисторов, особенно при работе на высоких частотах и температурах.

Заключение

IGBT транзисторы стали ключевым элементом современной силовой электроники, обеспечивая высокую эффективность преобразования энергии в широком диапазоне мощностей и частот. Их развитие продолжается, открывая новые возможности для создания компактных и эффективных преобразовательных устройств.

Igbt транзисторы принцип работы

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.

• Преимущества и недостатки
• Устройство и принцип работы
• Сфера использования
• Источники:

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

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

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

Преимущества и недостатки

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

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

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

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

Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:

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

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

Устройство и принцип работы

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

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

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

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

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

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

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

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

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

Сфера использования

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

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

ВИДЕО В ПОМОЩЬ:

//www.youtube.com/embed/WKtaOiLwIWQ

Источники:

• 220v.guru
• SYL.ru
• elenergi.ru
• Студопедия
• Практическая электроника
• Asutpp
• REMONTIR. INFO

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Как работают igbt транзисторы

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 В, то падающее на выводах коллектор-эмиттер открытого БТИЗ напряжение насыщения обычно меньше по сравнению с полевыми транзисторами той же ценовой группы.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Применение igbt транзисторов в инверторе
• IGBT транзисторы принцип работы
• Транзистор «от шефа»: особенности IGBT компании STMicroelectronics
• Модуль IGBT для частотного преобразователя, эксплуатация на практике
• IGBT транзистор
• IGBT-транзисторы это сила
• Биполярный транзистор с изолированным затвором
• Биполярные транзисторы с изолированным затвором — IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor
• IGBT силовые транзисторы International Rectifier шестого поколения
• IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Урок 308. Транзистор. Усилитель на транзисторе

Применение igbt транзисторов в инверторе

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как I nsulated G ate B ipolar T ransistor , а на русский манер звучит как Б иполярный Транзистор с И золированным З атвором. БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.

IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного. Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным.

В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах. Внутренняя структура БТИЗ — это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.

Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ. Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p , что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток. Впервые мощные полевые транзисторы появились в году, а уже в году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором.

В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа. Несколько позже, в году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.

Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.

Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер I кэ max , а рабочее напряжение U кэ max может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт. Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З управляющий электрод , эмиттер Э и коллектор К. На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G , вывод эмиттера — E , а вывод коллектора — C.

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.

Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.

Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.

IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. IGBT модуль. Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора полумост. Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более вольт.

Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании. Размеры SMD-резисторов. Таблица типоразмеров. В чём разница? Ремонт блютуз-колонки JBL Charge 3 реплики. Телевизор не включается. Индикатор мигает. Что делать?

IGBT транзистор Биполярный транзистор с изолированным затвором.

IGBT транзисторы принцип работы

Как проверить igbt транзистор мультиметром Sdelai-sam. IGBT транзистор. Что это и в чем его отличие от других. Как его проверить и сделать его аналог.

Igbt транзистор. Смотреть похожее видео как проверить Igbt транзистор. 🧧#15 Как работает IGBT транзистор. 6кВ кА? @Techno Mods.

Транзистор «от шефа»: особенности IGBT компании STMicroelectronics

IGBT-транзисторы это сила. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. MOSFET-транзисторы, появившиеся в х годах, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке. Высоковольтных MOSFET-транзисторов с достаточно хорошими характеристиками создать пока не удается, так как сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД. В середине х годов возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине х годов в каталогах ряда компаний среди которых одной из первых была International Rectifier появились транзисторы IGBT. В настоящее время в каталогах всех ведущих производителей мощных полупроводниковых приборов можно найти эти транзисторы.

Модуль IGBT для частотного преобразователя, эксплуатация на практике

В последнее время сектор элементной базы для силовой электроники бурно развивается. Базовыми элементами силовых регулирующих устройств являются мощные силовые ключи. Их основными параметрами являются предельные напряжения и ток, а также быстродействие и эффективность передачи энергии. В тех областях, где требуется сочетание высоких рабочих напряжений и токов, доминируют IGBT силовые транзисторы. Они могут использоваться в виде дискретных приборов, бескорпусных кристаллов в составе гибридных силовых модулей и интеллектуальных силовых модулях различных электроприводов.

Мощные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при весьма малой мощности управления, которую нужно прикладывать к затвору. Основная причина в том, что затвор изолирован, поэтому требуется мощность только на перезаряд емкости затвор-исток, и в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет тока.

IGBT транзистор

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.

IGBT-транзисторы это сила

Сообщения без ответов Активные темы. Модераторы: Горшком назвали Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 0. Power Electronics Посвящается источникам питания вообще и сварочным источникам в частности. Текущее время: ,

Igbt транзистор. Смотреть похожее видео как проверить Igbt транзистор. 🧧#15 Как работает IGBT транзистор. 6кВ кА? @Techno Mods.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Применение полностью управляемых ключей позволяет в большинстве случаев значительно упростить схемотехнику преобразователей и улучшить их технико-экономические характеристики. Поэтому они были первыми силовыми транзисторными ключами СТК , получившими массовое применение в энергетической электронике в е годы. Однако БТ, особенно высоковольтные, имеют ряд серьезных недостатков: малый коэффициент передачи тока; большой разброс значений этого коэффициента с учетом технологических и температурных факторов; малая номинальная и пиковая плотность тока в силовой цепи; необходимость применения знакопеременного управляющего напряжения; малая область безопасной работы ОБР из-за склонности БТ к кумуляции тока; значительное время рассасывания неосновных носителей [1]. Эти свойства БТ приводят к тому, что в преобразовательных устройствах, имеющих, как правило, простую структуру силовых цепей, требуется большое количество достаточно сложных и мощных вспомогательных цепей, обеспечивающих управление БТ и их защиту.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором — IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: IGBT all-audio.pro это и в чем его отличие от all-audio.pro его проверить и сделать его аналог.

В статье описываются основы применения перспективных силовых модулей для повышения возможностей частотных преобразователей. Они позволяют удешевить многие решения в области электропривода с использованием мощных асинхронных двигателей. Это современный прибор, появившийся примерно в конце прошлого века и сделавший революцию в силовой электронике. Электроэнергия используется человечеством уже давно, по мере развития техники одна часть возникающих проблем была успешно решена как например, отказ от дорогих магнитных сплавов в пользу дешевой стали и медных обмоток возбуждения в двигателях постоянного тока и магнитах Вернер Сименс.

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT.

IGBT силовые транзисторы International Rectifier шестого поколения

Как работает IGBT? Данный вид транзисторов относят к управляемым полупроводниковым устройствам, с трехслойной структурой. Биполярный транзистор оснащен тремя выводами наружной локации: эмиттером, коллектором и затвором. Устройство объединяет преимущества транзисторов двух видов: полевых и биполярных. Образовавшуюся в результате объединения модель отличает повышенное сопротивление на входе с повышенной токовой нагрузкой и небольшим уровнем сопротивления в рабочем состоянии.

IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

MOSFET транзисторы, появившиеся в х годах, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке. Высоковольтных MOSFET транзисторов с достаточно хорошими характеристиками создать пока не удается, так как сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД.

Принцип работы IGBT — все, что вам нужно знать

IGBT — одно из самых эффективных электронных изобретений. Принцип работы IGBT уникален и находит множество коммерческих применений — в качестве приводов двигателей переменного/постоянного тока, управления тяговыми двигателями, ИБП (нерегулируемый источник питания), инверторов и т. д.

Но не будем забегать вперед. Вам нужно полностью понять, как работает IGBT. Итак, поехали.

Что такое IGBT?

IGBT означает биполярный транзистор с изолированным затвором. Это полупроводниковое электрическое устройство с 3 клеммами, обеспечивающее быстрое переключение при высокой эффективности.

Чтобы лучше понять IGBT, лучше понять различные транзисторы с точки зрения функциональности.

Транзисторы

Транзистор — это небольшой электронный компонент, выполняющий две основные функции. Он действует как переключатель для управления цепями освещения и может усиливать сигналы.

Существуют различные типы транзисторов, основанные на другой полезности или конкретном применении. Обычно используемые транзисторы — это BJT (транзистор с биполярным переходом), MOSFET и IGBT.

Как BJT, так и MOSFET имеют свои предпочтения, а также преимущества перед другими. В то время как биполярные транзисторы предпочитают малые падения в открытом состоянии, полевые МОП-транзисторы лучше всего подходят благодаря высокому импедансу I/P, низким потерям при переключении и отсутствию вторичного пробоя.

БТИЗ сочетает в себе биполярный транзистор и полевой МОП-транзистор, благодаря чему он сочетает в себе лучшее от обоих транзисторов.

Таким образом, БТИЗ представляет собой трехполюсное устройство, используемое в качестве коммутационного устройства и применяемое для усиления сигналов. IGBT обеспечивает быстрое переключение с высокой эффективностью.

Символ IGBT

Поскольку IGBT сочетает в себе BJT и MOSFET, его символы следуют тому же принципу, что и ниже.

Символ IGBT

Символ также имеет три клеммы – коллектор, эмиттер и затвор. Входная сторона представляет собой MOSFET, а выходной символ берется из символа BJT.

Как и ожидалось, клеммами проводимости являются Коллектор и Эмиттер. Ворота — это терминал управления.

Структура IGBT

Все три вывода (коллектор, эмиттер и затвор) IGBT прикреплены металлическими слоями. Однако металлический материал терминала Gate имеет изоляцию из слоя диоксида кремния.

Внутренняя структура IGBT представляет собой четырехслойное полупроводниковое устройство. Четырехслойное устройство получается путем объединения транзисторов PNP и NPN, которые составляют схему PNPN.

Структура IGBT

Источник: Components101

Слой, ближайший к области коллектора, представляет собой (p+) подложку, область инжекции. Справа над ним находится N-область дрейфа, которая включает N-слой.

Активная область инжекции вводит большую часть носителей (ток дырок) из (p+) в N-слой.

Толщина области дрейфа определяет способность IGBT блокировать напряжение.

Поверх области дрейфа находится область тела, состоящая из (p) субстрата. Он находится недалеко от Излучателя. Внутри области тела есть (n+) слоев.

Обратите внимание, что соединения между областью коллектора (или областью впрыска) и областью N-Drift обозначаются J2. Точно так же соединение между областью N и областью тела является соединением J1.

ПРИМЕЧАНИЕ. Структура IGBT топологически похожа на тиристор с точки зрения затвора «MOS». Но действие и функциональность тиристора можно подавить, а это означает, что во всем диапазоне работы устройства IGBT допустимо только действие транзистора.

IGBT предпочтительнее тиристора из-за быстрого переключения тиристора при переходе через ноль.

Как работает IGBT?

Принцип работы IGBT включается или выключается активацией или деактивацией клеммы Gate.

Если положительное входное напряжение проходит через вентиль, эмиттер поддерживает цепь возбуждения во включенном состоянии. С другой стороны, если на клемме Gate IGBT нулевое напряжение или слегка отрицательное напряжение, он отключает приложение схемы.

Поскольку биполярное устройство с изолированным затвором функционирует как биполярный транзистор и полевой МОП-транзистор, величина усиления, которую оно достигает, представляет собой соотношение между его выходным и управляющим входными сигналами.

Для обычного биполярного транзистора коэффициент усиления примерно равен отношению выходного тока к входному току. Мы назвали его бета и обозначили как β.

С другой стороны, для полевого МОП-транзистора входной ток отсутствует, поскольку вывод Gate является изоляцией основного канала, по которому течет ток. Мы определяем коэффициент усиления IGBT путем деления изменения выходного тока на изменение входного напряжения. Это делает IGBT транскондуктивным устройством.

Работа IGBT как цепи

Поясним это с помощью рисунка ниже, который описывает весь рабочий диапазон IGBT устройства.

Работа IGBT в качестве цепи

IGBT работает только при наличии напряжения на клемме Gate. Это напряжение затвора, которое составляет В _Гс .

Как видно на диаграмме, при наличии напряжения на затворе ( В _G ) _, ток затвора ( I _G ) увеличивается. Затем он увеличивает напряжение затвор-эмиттер ( В _GE ).

Следовательно, напряжение затвор-эмиттер увеличивает ток коллектора ( I _C ). Таким образом, ток коллектора ( I _C ) уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером ( V _CE ).

ПРИМЕЧАНИЕ. IGBT имеет падение напряжения, аналогичное диодам, обычно порядка 2 В, которое увеличивается только с логарифмом тока.

В БТИЗ используются обратные диоды для проведения обратного тока. Свободные диоды размещаются на клеммах коллектор-эмиттер устройства.

IGBT, Si Diode

Источник: Публикация Researchgate

Наличие встроенного диода является обязательным требованием для IGBT, поскольку без него силовое электронное устройство может вывести из строя выключатель питания. После выключения индуктивный ток нагрузки генерирует пики высокого напряжения всякий раз, когда нет подходящего пути.

Модуль IGBT и FWD

Источник: Researchgate

Всякий раз, когда биполярный транзистор с изолированным затвором выключается, неосновные носители из N-области перетекают во внешнюю схему. После расширения обедненного слоя (возрастание напряжения коллектор-эмиттер) неосновные носители вызывают внутреннюю рекомбинацию протекающего тока, хвостовой ток.

Типы IGBT 

Как четырехслойные устройства, IGBT можно классифицировать на основе наличия (n+) буферного слоя. Биполярные транзисторы с изолированным затвором и буферным слоем (n+) представляют собой сквозные IGBT (или просто PT-IGBT).

Аналогичным образом, IGBT без буферного слоя (n+) представляют собой IGBT без пробивки (или просто NPT-IGBT). Вот таблица их различий.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором также классифицируются по своим характеристикам. Концепция проектирования устройств для PT-IGBT и NPT-IGBT может быть как симметричной, так и асимметричной.

Симметричные IGBT имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя. В то же время асимметричные биполярные транзисторы с изолированным затвором имеют прямое напряжение пробоя больше, чем обратное напряжение пробоя.

Это означает, что симметричный IGBT в основном применяется в цепях переменного тока. С другой стороны, асимметричные IGBT применимы в цепях постоянного тока, потому что им не нужно какое-либо поддерживаемое обратное напряжение.

Модели IGBT

Схемы, использующие принцип работы IGBT, обычно моделируются с помощью симуляторов цепей, таких как Sabre и SPICE.

Симуляторы могут моделировать IGBT (и другие реальные устройства), чтобы обеспечить наилучшие прогнозы относительно токов и напряжений на электрических клеммах.

Для еще более точного прогнозирования тепло и температура включены в процесс моделирования. Наиболее распространенными методами моделирования для концепции проектирования устройств IGBT являются:

• Физическая модель
• Макромодель

Симулятор SPICE использует метод макромодели, который объединяет различные компоненты, такие как МОП-транзисторы и биполярные транзисторы, с использованием конфигурации Дарлингтона.

Принцип работы IGBT– Электрические характеристики

Из-за того, что работа IGBT зависит от напряжения, для поддержания проводимости устройствам требуется лишь незначительное напряжение, подаваемое на клемму Gate.

  Электрические характеристики

Это противоположность биполярным силовым транзисторам, которым требуется непрерывный ток базы в области базы для поддержания насыщения.

В то же время IGBT является однонаправленным устройством, что означает, что он переключается только в «прямом направлении» (от коллектора к эмиттеру).

Это противоположность МОП-транзисторам, которые имеют двунаправленный процесс переключения тока. В практических устройствах МОП-транзисторы управляемы в прямом направлении и неуправляемы в обратном напряжении.

Обратите внимание, что в динамических условиях в IGBT может возникать ток блокировки, когда устройство выключается. Когда кажется, что непрерывный управляющий ток во включенном состоянии превышает критическое значение, это ток блокировки.

Кроме того, когда напряжение затвор-эмиттер падает ниже порогового напряжения, через устройство протекает небольшой ток утечки. В это время напряжение коллектор-эмиттер почти равно напряжению питания. Таким образом, четырехслойный БТИЗ работает в области отсечки.

Принцип работы IGBT. Применение IGBT 

IGBT можно использовать в усилителях слабого сигнала, как и МОП-транзисторы и биполярные транзисторы. Тем не менее, IGBT сочетает в себе лучшее из обоих, поэтому имеет низкие потери проводимости и высокую скорость переключения.

IGBT используется в большинстве современных электронных устройств, таких как стереосистемы, поезда, VSF, электромобили, кондиционеры и т. д.

IGBT по сравнению с MOSFET частоты, сильноточные конфигурации. И наоборот, полевые МОП-транзисторы лучше всего подходят для низковольтных, высоких частот переключения и средних токов.

IGBT против MOSFET

Источник: Researchgate

IGBT можно использовать в практических устройствах с частотой переключения ниже 20 кГц из-за его высоких коммутационных потерь.

Резюме 

Надеемся, теперь вы понимаете, что такое IGBT и чем они отличаются от MOSFET и BJT. У вас есть вопросы или опасения по поводу IGBT? Не стесняйтесь связаться с нами!

Что такое IGBT? — Конструкция и принцип работы

27 сентября 2020 г. от администратора

В этой статье объясняется IGBT, его символ, конструкция и принцип работы с соответствующей структурой и принципиальными схемами.

Что такое IGBT?

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) представляет собой трехконтактный силовой ключ с высоким входным сопротивлением, как у PMOSFET, и низкими потерями мощности в открытом состоянии, как у BJT (биполярный переходной транзистор). Таким образом, IGBT представляет собой комбинированную форму лучших качеств как BJT, так и PMOSFET. Это самый популярный силовой выключатель среди инженеров-электронщиков, который находит множество применений.

IGBT — это трехконтактное устройство. Три терминала: ворота (G), эмиттер (E) и коллектор (C). Символ схемы IGBT показан ниже.

 

IGBT также известен как транзистор с изолированным затвором на основе оксида металла (MOSIGT), полевой транзистор с модуляцией проводимости (COMFET) или полевой транзистор с модуляцией усиления (GEMFET). Первоначально он назывался транзистором с изолированным затвором (IGT).

Конструкция БТИЗ:

БТИЗ построен на подложке из p+-слоя. На p+-подложке эпитаксиально выращен высокоомный n-слой. Как и в других полупроводниковых устройствах, толщина n-слоя определяет блокировочную способность IGBT. На другой стороне p+-подложки осаждается металлический слой, формирующий клемму коллектора (C). Теперь p-области размыты в эпитаксиально выращенном n-слое. Далее n+ областей диффундируют в р-область. Базовая конструкция IGBT показана на рисунке ниже.

Теперь на поверхность выращен изолирующий слой диоксида кремния (SiO ₂ ). Этот изолирующий слой вытравлен для встраивания металлических выводов эмиттера и затвора.

Подложка p+ также называется слоем инжектора, потому что она вводит дырки в n-слой. Слой n называется областью дрейфа. Следующий p-слой называется корпусом IGBT. N-слой между p+ и p-областями служит для размещения обедненного слоя pn-перехода, то есть J2.

Эквивалентная схема:

Примерная эквивалентная схема IGBT состоит из MOSFET и транзистора p+n-p (Q ₁ ). Чтобы учесть сопротивление, обеспечиваемое областью дрейфа n, в схему включено сопротивление R _d . Это показано ниже.

Эта эквивалентная схема может быть получена путем тщательного изучения базовой структуры IGBT. Базовая структура показана ниже.

Из приведенного выше рисунка видно, что при движении вертикально вверх от коллектора к эмиттеру мы встречаем p+, n-, p слоев. Это означает, что IGBT можно рассматривать как комбинацию MOSFET и p ⁺ н ^– п транзистор (Q ₁ ). Это основа для приблизительной эквивалентной схемы.

Теперь внимательно изучите базовую структуру IGBT, показанную выше. Вы заметите, что существует еще один путь от коллектора к эмиттеру; этот путь коллекторный, p+, n ^– , p (n-канальный), n+ и эмиттерный. Таким образом, в составе IGBT имеется еще один транзистор Q ₂ as n ^– pn+. Таким образом, нам нужно включить этот транзистор Q ₂ в приблизительной эквивалентной схеме, чтобы получить точную эквивалентную схему.

Точная эквивалентная схема IGBT показана ниже.

R _на в этой цепи представляет собой сопротивление, оказываемое p-областью потоку дырочного тока.

Принцип работы IGBT:

Принцип работы IGBT основан на смещении клемм затвор-эмиттер и клемм коллектор-эмиттер. Когда коллектор становится положительным по отношению к эмиттеру, IGBT смещается в прямом направлении. При отсутствии напряжения между затвором и эмиттером два перехода между n-областью и p-областью, то есть переход J2, смещены в обратном направлении. Следовательно, ток от коллектора к эмиттеру не течет. Вы можете обратиться к рисунку 1 для лучшего понимания.

При положительном напряжении затвора по отношению к эмиттеру V _G (это напряжение должно быть больше порогового напряжения V _GET IGBT) в верхней части p- область прямо под воротами. Этот n-канал называется инверсионным слоем . Этот n-канал замыкает n-область с n+ эмиттерной областью. Электроны из n+-эмиттера начинают течь в n- дрейфовую область через n-канал.

Поскольку IGBT смещен в прямом направлении с положительным коллектором и отрицательным эмиттером, p+ область коллектора вводит дырки в n-дрейфовую область. Таким образом, дрейфовая n-область заполняется электронами из области p-тела и дырками из области p+-коллектора. При этом значительно увеличивается плотность инжекционных носителей в n-дрейфовой области и, как следствие, увеличивается проводимость n-области. Поэтому IGBT включается и начинает проводить прямой ток I _С .

Ток I _C или I _E состоит из двух составляющих тока:

• Дырочный ток I _ч за счет инжекции дырок из коллектора p+, p+n ^– p транзистор Q _{1, p} -корпусное сопротивление R _на и эмиттер.
• Электронный ток I _e из-за инжектированных электронов, вытекающих из коллектора, слоя инжекции p+, области дрейфа n-, сопротивления n-канала R _ch , n+ и эмиттера.

Следовательно, ток коллектора или ток нагрузки

I _C = Ток эмиттера

= I _E

= I _h + I _{e ток коллектора основной ток коллектора 90}

3 9 e т. е. основной путь тока для коллектора или нагрузки, ток проходит через p+, n-, дрейфовое сопротивление R _d и сопротивление n-канала R _ch . Это показано в точной эквивалентной схеме.

Падение напряжения в IGBT во время его включения состоит из падения напряжения в n-канале, падения напряжения на дрейфовой n-области, падения напряжения на смещенном в прямом направлении p+n-переходе J1.