Транзистор igbt принцип работы. IGBT транзистор: принцип работы, характеристики и применение

Что такое IGBT транзистор. Как устроен и работает IGBT. Каковы основные характеристики IGBT транзисторов. Где применяются IGBT транзисторы. Какие преимущества имеют IGBT перед другими типами транзисторов.

Содержание

Что такое IGBT транзистор

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) — биполярный транзистор с изолированным затвором. Это полупроводниковый прибор, сочетающий в себе свойства биполярного и полевого транзисторов. IGBT объединяет преимущества обоих типов транзисторов:

Высокое входное сопротивление и управление напряжением, как у полевых транзисторов
Высокая токовая нагрузка и малое напряжение насыщения, как у биполярных транзисторов

Благодаря этому IGBT нашли широкое применение в силовой электронике, особенно в преобразователях частоты, инверторах, импульсных источниках питания и других устройствах.

Устройство и принцип работы IGBT

IGBT имеет четырехслойную структуру P-N-P-N и три вывода — затвор, коллектор и эмиттер. Упрощенно его можно представить как комбинацию полевого МОП-транзистора, управляющего базой биполярного PNP-транзистора.

Принцип работы IGBT заключается в следующем:

При подаче положительного напряжения на затвор формируется инверсионный N-канал между областями P+ и N-
Через этот канал электроны из N+ эмиттера попадают в N- область
P+ коллектор инжектирует дырки в N- область
В результате N- область насыщается носителями заряда, ее проводимость резко увеличивается
Открывается путь протекания тока от коллектора к эмиттеру

Таким образом, IGBT управляется напряжением на затворе, как полевой транзистор, но имеет биполярный механизм протекания тока в открытом состоянии.

Основные характеристики IGBT

Ключевыми параметрами IGBT транзисторов являются:

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (обычно от 600 В до 6,5 кВ)
Максимальный ток коллектора (десятки-сотни ампер)

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (1,5-3 В)
Время включения и выключения (единицы микросекунд)
Пороговое напряжение затвора (3-5 В)
Входная и выходная емкость

IGBT способны работать на частотах до 100 кГц. При этом они имеют малые статические и динамические потери мощности.

Преимущества IGBT перед другими типами транзисторов

По сравнению с биполярными и полевыми транзисторами IGBT обладают рядом важных достоинств:

Высокая нагрузочная способность по току и напряжению
Малое напряжение насыщения и низкие потери во включенном состоянии
Простота управления напряжением на затворе
Высокая скорость переключения
Положительный температурный коэффициент
Высокая устойчивость к короткому замыканию

Эти преимущества делают IGBT оптимальным выбором для многих применений в силовой электронике.

Области применения IGBT транзисторов

IGBT широко используются в следующих устройствах и системах:

Преобразователи частоты для управления электродвигателями
Источники бесперебойного питания
Сварочные аппараты инверторного типа
Импульсные источники питания
Индукционные нагреватели
Системы управления электроприводом в электромобилях
Бытовая техника (кондиционеры, стиральные машины и др.)

IGBT особенно эффективны в устройствах с напряжением более 200 В и током более 5 А, где они заменяют биполярные и полевые транзисторы.

Разновидности и типы IGBT транзисторов

Существует несколько поколений и типов IGBT транзисторов:

PT IGBT (Punch Through) — с буферным слоем
NPT IGBT (Non-Punch Through) — без буферного слоя

FS IGBT (Field Stop) — с дополнительным стоп-слоем
Trench IGBT — с затвором траншейного типа

Также IGBT выпускаются в виде одиночных транзисторов и модулей, содержащих несколько транзисторов в одном корпусе. Модули могут иметь различную конфигурацию — полумост, Н-мост и др.

Особенности применения IGBT в схемах

При использовании IGBT в электронных схемах необходимо учитывать следующие моменты:

Требуется драйвер для управления затвором
Необходима защита затвора от перенапряжений
Важен правильный расчет цепей снаббера для ограничения di/dt и dv/dt
Следует обеспечить эффективный теплоотвод
Нужно учитывать «хвостовой» ток при выключении

Правильное применение IGBT позволяет создавать высокоэффективные силовые преобразователи с минимальными потерями энергии.

Перспективы развития IGBT технологии

Основные направления совершенствования IGBT транзисторов:

Повышение рабочего напряжения (до 10 кВ и выше)
Увеличение плотности тока
Снижение потерь проводимости и переключения
Повышение рабочей температуры (свыше 200°C)
Интеграция драйверов и защитных функций

Развитие технологии IGBT позволит создавать еще более эффективные и надежные устройства силовой электроники для различных применений.

принцип работы, разновидности полупроводников, основные параметры силовых компонентов

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.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

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.

Insulated Gate Bipolar Transistor

Заголовок этого раздела переводится как “биполярный транзистор с изолированным затвором” (англ.). 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). Другая часть проблем долго и упорно не поддавалась решению. К ней, например, можно отнести использование переменного тока в электротранспорте.

Электротехнические устройства всегда содержат элементы коммутации и это самые больные их места. При разрыве многих электрических цепей возникает дуга, пережигающая со временем контакты. Сопротивление контактов в идеале должно быть не больше, чем самый маленький участок остальной цепи, но на практике, именно благодаря окислам от дуги, в месте контакта возникает повышенное сопротивление. По закону Джоуля-Ленца на этом сопротивлении возникает и рассеивается тепловая мощность пропорциональная сопротивлению и квадрату тока. Нагрев током места контакта приводит к его ускоренному старению, чем дальше, тем быстрее, и в результате цепь выходит из строя.

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.

Литература

1. ST. AN1491. IGBT BASICS. Ссылка

2. ST. 600 V SiC diodes. Ссылка

3. Ссылка

4. Ссылка

5. https://www.st.com/internet/analog/class/826.jsp

6. Ссылка.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail

Где есть IGBT/MOSFET транзисторы, там есть и драйверы затворов

В линейке аналоговых и смешанных интегральных схем, выпускаемых компанией STMicroelectronics, важное место занимают драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов. Ранние разработки содержат микросхемы драйверов, управляющих включением или выключением одиночного MOSFET- или IGBT-транзистора (категория «Single» в терминах компании STMicroelectronics, серии TD220, TD350). При определенной схеме включения данные драйверы могут управлять нагрузкой как верхнего, так и нижнего плеча. Отметим также микросхему TD310 — три независимых одиночных драйвера в одном корпусе. Такое решение будет эффективным при управлении трехфазной нагрузкой.

Самыми современными драйверами являются серии высоковольтных полумостовых драйверов L6384…L6388 и L639х. Данные микросхемы независимых драйверов верхнего и нижнего плеча управляются по входам HIN и LIN. Причем высокий уровень логического сигнала включает, соответственно, верхнее или нижнее плечо драйвера. В некоторых из этих драйверов используется дополнительный вход SD, отключающий оба плеча независимо от состояния на входах HIN и LIN.

В документации «L638xE Application Guide» компании STMicroelectronics приведены примеры схемы управления трехфазным двигателем, схемы балласта люминесцентной лампы с диммированием, DC/DC-преобразователей с различной архитектурой и ряд других. Также приведены схемы демонстрационных плат для всех микросхем данного семейства (в том числе и топология печатных плат).

Драйверы серии L639х отличаются дополнительным функционалом: операционные усилители (в L6390 и L6392) предназначены для измерения тока, протекающего через нагрузку. Все микросхемы содержат логику защиты от одновременного открытия транзисторов верхнего и нижнего плеча и, соответственно, формирования паузы при изменении состояния выхода.

•••

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.

Влияние внешнего конденсатора затвора на динамические потери

Положительный эффект от применения внешней емкости «затвор–эмиттер» состоит в подавлении паразитных эффектов. К недостаткам такого решения можно отнести рост динамических потерь из-за замедления скорости переключения IGBT и увеличения мощности, рассеиваемой драйвером и необходимой для заряда конденсатора:

PD = fsw × CGEext × DV2.

Чтобы минимизировать потери на переключение, можно скорректировать сопротивление затвора. Однако любые изменения номинала RG требуют повторного анализа области безопасной работы (SOA) и учета возможных паразитных эффектов.

В нашем случае модуль MiniSKiiP 24NAB12T4V1 может быть использован при сопротивлении затвора (RGon, RGoff) 6,2 Ом и внешней емкости 10 нФ. В табл. 2 приведены относительные уровни потерь переключения Eon, Eoff (за 100% приняты данные из спецификации модуля) для различных значений RG и CGext.
Таблица 2. Относительный уровень динамических потерь модуля MiniSKiiP 24NAB12T4V1 при различных значениях RG и CGEext

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой — лучше IGBT. Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях. Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.

CGEext, нФ	Eoff, %		Eon, %		Eoff+Eon,%
CGEext, нФ	RG = 18 Ом	RG = 6,2 Ом	RG = 18 Ом	RG = 6,2 Ом	RG = 18 Ом	RG = 6,2 Ом
0	100,0	96,5	100,0	75,4	100,0	84,1
1,0	100,6	97,1	101,0	74,8	100,8	84,0
4,7	100,9	97,1	112,3	75,8	107,6	84,6
10,0	102,9	97,4	134,8	84,2	121,7	89,7
15,0	106,1	98,0	152,5	92,8	133,3	94,9

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 и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах -На заметку

Главная > Инверторы > Справочные материалы по преобразователям частоты > 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).

25.11.2010

Биполярный транзистор с изолированным затвором — Его рабочее напряжение

Биполярный транзистор с переходом — Def…

Включите JavaScript Мы кратко называем это IGBT. Это что-то среднее между биполярным переходным транзистором (BJT) и металлооксидно-полупроводниковым полевым транзистором (MOSFET). Таким образом, IGBT имеет лучшие характеристики, чем BJT и MOSFET.

IGBT переключается как MOSFET и ведет себя как BJT. Таким образом, характеристики переключения и проводимости IGBT превосходны.

Мы также называем IGBT как транзистор с изолированным затвором из оксида металла «транзистор» (MOSIGT), полевой транзистор с модуляцией проводимости (COMFET) или «полевой транзистор с модуляцией усиления» (GEMFET). Первоначальное название IGBT было транзистором с изолированным затвором (IGT).

IGBT представляет собой трехвыводное устройство. Это одно из самых важных устройств силовой электроники.

ВАЖНЫЕ СВОЙСТВА

Мы используем его в приборах малой, средней и высокой мощности в диапазоне от нескольких до тысяч напряжений.
Устройство обеспечивает превосходное поведение при переключении
Для переключения затвора требуется простой драйвер.
обеспечивает безопасную рабочую зону и надежную возможность отключения.
Это устройство очень хорошо ограничивает ток короткого замыкания.
Это устройство работает как BJT и переключается как MOSFET.
Высокая скорость переключения и низкие потери при переключении.
Это однонаправленное устройство.
Сопротивление I/P высокое.
Падение напряжения и потери мощности во включенном состоянии меньше.
Положительные температурные коэффициенты для резистора во включенном состоянии, поэтому вторичный пробой не произойдет.

Обозначение IGBT

Конструкция IGBT

IGBT представляет собой четырехслойное устройство, четырехслойную структуру PNPN. Различные клеммы IGBT показаны на рисунке ниже.

Эквивалентная схема

Примерная эквивалентная схема IGBT состоит из MOSFET и PNP-транзистора. Сопротивление R _D — сопротивление n-области.

Из приведенного выше рисунка видно, что по мере продвижения вверх мы сталкиваемся с слоями P+N-P. Это означает, что IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и транзистора. Это основа для приблизительной эквивалентной схемы. Вы заметите, что существует «другой путь от коллектора к эмиттеру; «этот путь — коллектор, p+, n–, p (n-канал),» n+ и эмиттер. «Таким образом, в структуре IGBT есть еще один транзистор Q2 как n–pn+. Таким образом, нам нужно включить этот транзистор Q ₂ в приблизительную эквивалентную схему, чтобы получить точную эквивалентную схему.

Принцип работы

IGBT — это устройство, управляемое напряжением. Принцип работы IGBT зависит от смещения трех выводов коллектора, эмиттера и затвора. Когда коллектор положительный, а эмиттер отрицательный, переход (J2) в обратном смещении сопротивляется протеканию тока.

При подаче сигнала затвора на клемму затвора он индуцирует заряды в области P+, соединяющей область n+, и ток течет от коллектора к эмиттеру. Величина напряжения затвора должна быть больше порогового значения (Vth). Образовавшийся таким образом канал называется инверсионным слоем.

Когда коллектор положительный, а эмиттер отрицательный, область p+(коллектор) инжектирует дырки в n- , и в то же время эмиттер инжектирует электроны в n- слой. В результате n-слой имеет достаточное количество носителей заряда, увеличивающих проводимость IGBT, и в последующем IGBT приживается. Таким образом, ток IGBT состоит как из дырочных, так и из электронных компонентов.

Падение напряжения в IGBT во включенном состоянии очень мало, поэтому потери мощности во включенном состоянии очень малы.

Применение IGBT

Основным применением IGBT является переключатель управления питанием из-за его способности поддерживать высокое напряжение и ток. IGBT наиболее подходят в качестве коммутационных устройств для систем привода двигателей, источников бесперебойного питания, индукционных плит и других приложений. Мы широко используем IGBT в качестве переключающих устройств в цепи инвертора (для преобразования постоянного тока в переменный) для управления двигателями от малых до больших. Кроме того, IGBT находят широкое применение в инверторах, используемых в бытовой технике, такой как кондиционеры и холодильники, промышленные двигатели и автомобильные контроллеры основных двигателей, для повышения их эффективности.

Защита IGBT

Электростатический разряд энергии через IGBT делает его более уязвимым к повреждению изоляции затвора.

Однако при правильном обращении и процедурах применения IGBT в настоящее время широко используются в производстве многочисленными производителями оборудования для военных, промышленных и потребительских приложений, при этом практически не возникает проблем с повреждением из-за электростатического разряда

Меры предосторожности при обращении с IGBT

Жало паяльника при пайке IGBT должно быть заземлено.
Нельзя отключать устройства от цепи при включенном питании.
Напряжение затвора должно быть меньше номинального напряжения. Напряжение выше номинального может необратимо повредить оксидный слой, который действует как изолятор.
Не оставляйте ворота разомкнутыми или плавающими. Эти условия могут привести к «включению устройства из-за нарастания напряжения на входном конденсаторе из-за токов утечки или срабатывания».
Эти устройства не имеют внутреннего монолитного стабилитрона от затвора до эмиттера. Если требуется защита затвора, рекомендуется внешний стабилитрон. ‘ECCOSORBD™ является торговой маркой Emerson and Cumming, Inc.’
Когда «устройства снимаются вручную с держателей, используемая рука должна быть заземлена любым подходящим способом, например, с помощью металлического браслета».

Цепь привода затвора

Микроконтроллер генерирует сигналы переключения для IGBT. Выходное напряжение микроконтроллера обычно составляет 3-3,3 вольта, что недостаточно для срабатывания IGBT. Если IGBT получает прямое напряжение от контроллера, он может повредить дорогостоящий контроллер из-за нарушения изоляции. Вот почему мы используем усилитель для усиления управляющего сигнала до подходящего напряжения с изоляцией между цепью питания и контроллером. IC TLP250 (производства Toshiba) лучше всего подходит для переключения приводов затворов. Конфигурация PIN-кода и принципиальная схема TLP250 приведены ниже.

TOSHIBA TLP250 состоит из светодиода GaAlAs и встроенного фотодетектора, обеспечивающего изоляцию. Это устройство представляет собой 8-выводной корпус DIP. Это устройство подходит для цепей управления затвором IGBT или силового MOSFET. Контакт 6 или 7 подключен к клемме затвора IGBT.

Читать дальше:

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) | Принцип работы

Хотите создать сайт? Найдите бесплатные темы и плагины WordPress.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой трехполюсное переключающее устройство, в котором полевой транзистор для управления сочетается с биполярным транзистором для переключения. См. рис. 1.

Рис. 1. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — это трехконтактное переключающее устройство, в котором полевой транзистор сочетается с биполярным транзистором.

Характеристики БТИЗ

Основное различие в конструкции силового МОП-транзистора и БТИЗ заключается в добавлении слоя инжекции в БТИЗ.

Благодаря наличию слоя инжекции дырки инжектируются в высокоомный N-слой и создается переток носителей. Это увеличение проводимости N-слоя позволяет снизить напряжение IGBT в открытом состоянии. См. рис. 2.

Кремниевый IGBT стал известен как силовой ключ для высоковольтных (более 500 В) и мощных (более 500 Вт) приложений.

БТИЗ представляет собой комбинацию биполярного транзистора и МОП-транзистора. Он имеет выходные характеристики переключения и проводимости биполярного транзистора, но управляется напряжением, как MOSFET. Это означает, что он обладает такими преимуществами, как возможность работы с большими токами биполярного транзистора и простота управления полевого МОП-транзистора.

IGBT — силовой полупроводниковый прибор, отличающийся высокой эффективностью и быстрым переключением. Решение об использовании IGBT или MOSFET зависит от приложения. Стоимость, размер, скорость и требования к окружающей среде должны учитываться при выборе IGBT.

Рис. 2. Основное различие между мощным MOSFET и IGBT заключается в добавлении слоя инжекции в IGBT.

IGBT Operation

IGBT — быстродействующие переключающие устройства. Операции IGBT состоят из операций блокировки, состояния ВКЛ/ВЫКЛ и операций фиксации. Безопасная рабочая зона (SOA) IGBT защищает от индуктивного отключения.

Две конфигурации IGBT включают сквозную (PT) и непробиваемую (NPT) конфигурации.

Операция блокировки

Состояние включения/выключения IGBT определяется напряжением затвора.

Если напряжение, подаваемое на контакт затвора по отношению к эмиттеру, меньше порогового напряжения, то инверсионный слой MOSFET не создается и устройство выключается. В этом случае любое приложенное прямое напряжение должно падать на переход с обратным смещением. Единственным протекающим током должен быть небольшой ток утечки.

Таким образом, прямое напряжение пробоя определяется напряжением пробоя перехода. Это важно для силовых устройств с большими напряжениями и токами.

Напряжение пробоя перехода зависит от легирования. Более низкий коэффициент легирования приводит к более широкой области обеднения и более низкому максимальному электрическому полю в области обеднения, поэтому дрейфовая область (N–) легирована намного легче, чем область тела.

Буферный слой (N+) предотвращает проникновение обедненной области в биполярный коллектор. Преимущество этого буферного слоя заключается в том, что он позволяет уменьшить толщину области дрейфа, тем самым снижая потери в открытом состоянии.

Работа в открытом состоянии

Открытое состояние IGBT достигается за счет увеличения напряжения затвора до уровня, превышающего пороговое напряжение. Это увеличение напряжения приводит к формированию инверсионного слоя под затвором, который обеспечивает канал, соединяющий исток с областью дрейфа IGBT. Затем электроны инжектируются из источника в область дрейфа. При этом в дрейфовую область инжектируются дырки.

Эта инжекция вызывает проводимость дрейфовой области, где плотность как электронов, так и дырок выше, чем исходное легирование N–. Эта проводимость придает IGBT низкое напряжение в открытом состоянии. Это возможно из-за пониженного сопротивления области дрейфа.

Некоторые из введенных дырок должны рекомбинировать в области дрейфа. Другие могут пересекать эту область путем дрейфа и диффузии и достигать соединения той области тела, где они собираются.

Работа в выключенном состоянии

Либо затвор должен быть закорочен на эмиттер, либо к затвору должно быть приложено отрицательное смещение.

Когда напряжение затвора падает ниже порогового напряжения, инверсионный слой не может поддерживаться, и поступление электронов в дрейфовую область блокируется. В этот момент начинается процесс отключения.

Процесс отключения не может быть завершен так быстро, как хотелось бы, из-за высокой концентрации неосновных носителей, введенных в дрейфовую область во время прямой проводимости. Коллекторный ток быстро уменьшается из-за прекращения электронного тока через канал. Затем ток коллектора уменьшается по мере рекомбинации неосновных носителей.

Работа с фиксацией

Во время работы во включенном состоянии пути прохождения тока в IGBT позволяют инжектировать дырки в область дрейфа из коллектора (P+).

Части дырок исчезают в результате рекомбинации с электронами из канала MOSFET. Остальные части дырок притягиваются к окрестностям слоя инжекции отрицательным зарядом электронов. Эти отверстия пересекают область тела и создают падение напряжения в сопротивлении тела.

В состоянии фиксации затвор полевого МОП-транзистора не может контролировать ток коллектора. Единственный способ отключить IGBT — это отключить ток, как и для обычного SCR.

Примечание: Если защелкивание не прекращается быстро, IGBT может выйти из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности.

Зона безопасной работы IGBT

Зона безопасной работы (SOA) — это предел напряжения и тока, в котором устройство переключения мощности, такое как IGBT, может работать без разрушения. Область определяется максимальным напряжением коллектор-эмиттер (V _CE) и током коллектора (I _C), которыми должен управлять режим IGBT для защиты IGBT от повреждений.

Типы SOA для IGBT: безопасная рабочая зона с прямым смещением (FBSOA), безопасная рабочая зона с обратным смещением (RBSOA) и безопасная рабочая зона с коротким замыканием (SCSOA). Двумя основными условиями, которые могут повлиять на SOA IGBT, являются работа во время короткого замыкания и индуктивное отключение.

При переключении индуктивных нагрузок должна быть предусмотрена защита. Это можно сделать с помощью обычных диодов, стабилитронов или резисторов. Используемый метод зависит от приложения. БТИЗ часто нуждаются в этом типе защиты от индуктивных нагрузок, чтобы предотвратить индуктивное отключение.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

БТИЗ, которые используются в преобразователях частоты в качестве коммутационных устройств двигателя, иногда выходят из строя. Отказы можно уменьшить, используя сетевые и нагрузочные реакторы, ограничивая расстояние между приводом и двигателем, оставляя достаточно свободного пространства для охлаждения привода, увеличивая время разгона/торможения двигателя, снижая настройку частоты ШИМ, обеспечивая надлежащее заземление и не нагружая привод больше. более 80% его рейтинга.

Конфигурации PT и NPT

В конструкции IGBT используются два типа конструкций: сквозная (PT) и непробивная (NPT).