Igbt схема. IGBT транзистор: принцип работы, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

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

Содержание

Что такое IGBT транзистор и как он устроен

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) — это силовой полупроводниковый прибор, сочетающий в себе свойства биполярного и полевого транзисторов. Его структура включает:

Изолированный затвор, как у полевого МОП-транзистора
Биполярную структуру, как у биполярного транзистора
Дополнительный p-n переход в области стока

Благодаря такой конструкции IGBT обладает следующими ключевыми особенностями:

Высокое входное сопротивление (как у МОП-транзистора)
Низкое сопротивление в открытом состоянии (как у биполярного транзистора)
Возможность работы при высоких напряжениях и токах

Принцип работы IGBT транзистора

Как работает IGBT транзистор? Принцип его работы основан на сочетании свойств МОП и биполярной структур:

При подаче напряжения на затвор формируется канал, как в МОП-транзисторе
Через канал протекает ток управления базой встроенного биполярного транзистора
Биполярный транзистор открывается и пропускает основной ток между коллектором и эмиттером

Таким образом, IGBT управляется напряжением (как МОП), но имеет низкое падение напряжения в открытом состоянии (как биполярный транзистор). Это позволяет эффективно коммутировать большие токи и напряжения.

Основные характеристики IGBT транзисторов

Какими параметрами характеризуются IGBT? Основные характеристики включают:

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (V_CES)
Максимальный ток коллектора (I_C)
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat))
Время включения и выключения

Заряд затвора (Q_g)
Область безопасной работы (SOA)

Рассмотрим некоторые из этих параметров подробнее.

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер

V_CE(sat) — это падение напряжения на IGBT в открытом состоянии. Оно определяет потери проводимости. Для современных IGBT V_CE(sat) составляет 1.5-3 В при номинальном токе.

Времена переключения

Характерные времена переключения IGBT:

t_d(on) — время задержки включения
t_r — время нарастания тока
t_d(off) — время задержки выключения
t_f — время спада тока

Суммарное время переключения современных IGBT составляет сотни наносекунд.

Область безопасной работы

SOA (Safe Operating Area) определяет допустимые режимы работы IGBT по току, напряжению и температуре. Выход за границы SOA может привести к выходу транзистора из строя.

Где применяются IGBT транзисторы

Благодаря своим уникальным свойствам IGBT нашли широкое применение в силовой электронике. Основные области применения IGBT включают:

Преобразователи частоты для электроприводов
Источники бесперебойного питания (ИБП)
Сварочные аппараты
Системы индукционного нагрева
Импульсные источники питания
Электромобили и гибридные автомобили
Электровозы и электропоезда
Системы альтернативной энергетики (солнечные инверторы, ветрогенераторы)

Преимущества IGBT перед другими типами транзисторов

Каковы основные достоинства IGBT по сравнению с биполярными и полевыми транзисторами? Ключевые преимущества:

Высокая нагрузочная способность по току и напряжению
Низкое падение напряжения в открытом состоянии
Простота управления напряжением
Высокая устойчивость к короткому замыканию

Возможность работы на высоких частотах (десятки кГц)

Это позволяет эффективно использовать IGBT в мощных высоковольтных преобразователях, где требуется коммутация больших токов с минимальными потерями.

Особенности применения IGBT транзисторов

При использовании IGBT в схемах необходимо учитывать следующие особенности:

Требуется драйвер для управления затвором
Необходима защита от перенапряжений и коротких замыканий
Важен правильный выбор резистора в цепи затвора
Следует учитывать эффект «хвостового» тока при выключении
Необходимо обеспечить эффективный теплоотвод

При соблюдении этих условий IGBT обеспечивают надежную и эффективную работу в силовых преобразователях различного назначения.

Перспективы развития IGBT технологии

Каковы основные направления совершенствования IGBT транзисторов? Ключевые тенденции включают:

Снижение потерь проводимости и коммутации
Повышение рабочих частот
Увеличение плотности тока и уменьшение размеров кристалла
Интеграция драйверов и защитных функций
Применение новых материалов (SiC, GaN)

Это позволит еще больше расширить области применения IGBT и повысить эффективность силовых преобразователей на их основе.

IGBT схемы

Заказать оборудование Олниса

Перейти в каталог брендов Олниса

Где используются IGBT-транзисторы

Соединив в себе все лучшие качества биполярного и полевого (MOSFET) транзисторов, возник своего рода гибрид – переключатель IGBT. Теперь достоинства двух популярных в прошлом веке полупроводников нашли отображение в одном устройстве. Его полное название — Insulated Gate Bipolar Transistor. Если перевести это словосочетание с английского, то получится «Биполярный транзистор с изолированным затвором». В русскоязычной версии IGBT упоминается как БТИЗ.

Назначение гибридного полупроводникового прибора разнообразно. Например, IGBT схемы есть в бытовых приборах – это сплит-системы для дома/офиса, посудомоечные машины, блоки питания телекоммуникационной техники. Но эти транзисторы есть также и в схемах управления электромоторами, где рабочая частота меньше 20 000 Гц. Они встречаются в ИБП, а также в сварочном оборудовании (там, где нужны большие токи плюс низкие частоты – менее 50 000 Гц).

Но это далеко не полный список способов применения устройств с технологией IGBT. Ведь этот удивительный полупроводник нужен для следующих сфер человеческой деятельности:

автомобиле- и самолетостроение;
аэрокосмическая отрасль;
водный и Ж/Д транспорт;
транспортная сфера (электромобили, электровозы и городской электротранспорт – троллейбусы, трамваи).

Но больше всего IGBT-транзисторы пригодились для частотной техники, инверторов, очень много их в высоковольтном и мощном электрооборудовании. Применение БТИЗ в промышленной отрасли развито очень сильно. У приборов есть все нужные характеристики, чтобы безотказно работать на промышленных мощностях разных видов.

Почему устройства IGBT пользуются большой популярностью

БТИЗ имеют упрощенную схему, ими легко управлять. Область безопасной работы у них на порядок выше, по сравнению с биполярными устройствами. Удобным является и модульное исполнение приборов. По отдельности БТИЗ встречаются нечасто. Более распространены они как модули, в каждом из которых находится 2 и более транзистора IGBT. Такое исполнение компактно, эргономично и высокоэффективно. Именно поэтому модули IGBT предельно популярны и получают повсеместное распространение в мире.

Где можно купить прибор IGBT

Купить модули IGBT лучше всего у поставщика Олниса. Фирма более десяти лет занята в области промышленной электронной техники. На сайте компании собраны электронные товары от пяти тысяч с лишним производителей. Поставки производятся со всех точек земного шара – из Америки, Азии и стран Евросоюза. Для каждого клиента Олниса имеет ряд выгодных преференций. Это:

оперативная доставка заказа по РФ и СНГ;
удобная доставка к порогу;
скидки при постоянном сотрудничестве;
гарантия на все виды техники, электронных компонентов, аксессуаров и других товаров на сайте фирмы.

Олниса – мультибрендовая компания. Здесь Вы можете купить продукцию от разных производителей на одном сайте. Вам не придется тратить много времени, чтобы найти все нужное оборудование от разных изготовителей.

Схема УНЧ на псевдо IGBT-транзисторах | Микросхема

Эта запись находится в рубриках: «УНЧ и Звукотехника». Вы можете комментировать здесь либо в любимой социальной сети.

Рад приветствовать всех любителей радиоэлектроники и радиотехники. Для начала хочу поблагодарить всех постоянных посетителей и читателей сайта за полезные и нужные советы, за ту неоценимую помощь, которую вы оказываете начинающим радиолюбителям и в целом всему сообществу электронщиков. Наша площадка стала хорошим форумом для обсуждения электротехнических вопросов, возникающих в ходе конструирования различных приборов, устройств и аппаратов. В дальнейшем планируется модернизация сайта с целью повышения удобства поиска, использования и публикации материалов, ведения дискуссий, а также наполнение новыми, актуальными схемами и конструкциями.

Сегодня предлагаю всем любителям УНЧ и звукотехники на тестирование и обсуждение схему УНЧ на псевдо IGBT транзисторах. Почему на «псевдо»? Ответим на этот вопрос и одновременно на комментарий уважаемого радиолюбителя так. IGBT-транзистор сам по себе представляет некий гибрид полевого и биполярного транзисторов. Дословно на русский язык эта аббревиатура переводится, как «биполярный транзистор с изолированным затвором». Основное применение IGBT, для чего, собственно, они и разрабатывались, нашли в силовой электронике. Это, однако, не означает того, что их вовсе нельзя использовать в усилительной аппаратуре. Можно. Но все дело упирается в качественной составляющей таких усилителей. Как говорится, Hi end усилитель не собрать! Впрочем, это не мешает прагматичным немцам «впаривать» свои разработки на

специально разработанных IGBT транзисторах за бешеные деньги под видом усилителей класса Hi-End (в авторской публикации названа цена в 200 000 долларов!).

Однако, если изучить характеристики таких транзисторов, имеющихся в продаже, можно сделать вывод, что ни один из них для высококачественного воспроизведения звука не подходит. Все-таки сказывается их основное предназначение. Так вот, непосредственно сами IGBT использовать в Hi-End классе нельзя, но можно найти им отличную замену.

В данном варианте УМЗЧ роль псевдо IGBT отводится общеизвестной комбинации из составного транзистора Дарлингтона с полевым транзистором на входе. Ведь это, по сути, тот же IGBT-транзистор, только выполненный на двух кристаллах, но с очень хорошими характеристиками с точки зрения звуковоспроизведения. Так автором (А.Шедный, город Омск) была разработана схема УМЗЧ, изображенная на рисунке ниже. За что ему огромное спасибо.

Техническая характеристика УЗЧ

По схемотехническому исполнению УЗЧ представляет собой симметричный одноканальный усилитель мощности низкой частоты, претендующий на класс Hi-End. Основные технические характеристики следующие. Номинальная выходная мощность усилителя на нагрузку 4 Ом составляет 225 ватт. Диапазон воспроизводимых частот колеблется в пределах 5…160000 Гц. Коэффициент нелинейных искажений при частоте в 1 кГц составляет порядка 0,001%, при 20 кГц – 0,008%. Отношение сигнал/шум = 110 дБ.

Краткое описание УНЧ

Звуковой сигнал через пленочный конденсатор С1 подается на регулятор громкости R1 фирмы ALPS. Следует заметить, что в случае применения в регуляторе громкости УМЗЧ отечественного потенциометра типа СП3-30в может наблюдаться нелинейность АЧХ на разных уровнях громкости. Входной каскад усилителя мощности звука выполнен на транзисторах VT1, VT7 и VT2, VT8 с каскодной нагрузкой VTЗ, VT5 и VТ4, VT6 и стабилизированными источниками тока для их питания VT10, VT9. Конденсаторы C7…C10 и C13…C16 необходимы для устранения самовозбуждения УМЗЧ. Выходной каскад УМЗЧ, как уже упоминалось выше, собран по схеме составного транзистора Дарлингтона с “раскачкой” на комплементарной паре VT15, VT16 полевых транзисторов фирмы Hitachi —2SK1058 и 2SJ162 (они же стоят в двухтактном каскоде). В качестве выходных транзисторов VТ17…VТ20 использована комплементарная пара Hi-End транзисторов фирмы National Semiconductor — NJL4281D и NJL4302D с встроенными диодами-датчиками температуры кристаллов транзисторов (VD7…VD10). По справедливому замечанию автора относительно аннотации фирмы на эти транзисторы, где сказано, что изменения падения напряжения на диодах-датчиках вполне достаточно для обеспечения температурной стабилизации выходного каскада, схема УМЗЧ дополнена проверенной схемой термостабилизации на терморезисторе R32, с подобранным, соответственно, его номиналом. Поскольку при достаточно большой выходной мощности диоды не справляются, и транзисторы начинают перегреваться. Выходной фильтр R43-C34-L1-R44, ввиду использования на выходе биполярных транзисторов, упрощен.

О радиодеталях

В схеме усилителя звука применяются пленочные полипропиленовые (типа МКР фирмы MUNDORF) конденсаторы (C1, С28) и керамические многослойные (импортный аналог К15-5 на напряжение 1600 В) конденсаторы (C2, C7…C10, С17, С18, С22…С24, С27, С29). Постоянные резисторы — импортные, металлооксидные, типа МО или МО-S. Подстроечные резисторы (R8, R24, R31) — типа 3296W-1-100LF (импортный аналог отечественного СП5-2ВБ). Мощные резисторы (R14, R23, R28, R39…R43) — металлооксидные, типа МОХ (фирмы MUNDORF).

Добавлено: продолжение ниже

Метки: акустика, УНЧ

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

Схема УМЗЧ с усилителем напряжения по схеме с общей базой
Аналоги отечественных транзисторов

Оставить комментарий

Что такое IGBT: работа, характеристики переключения, SOA, резистор затвора, формулы минимальное сопротивление в открытом состоянии (низкое напряжение насыщения) биполярного транзистора.

На рис. 1 показана эквивалентная схема IGBT, в которой биполярный транзистор работает с архитектурой МОП-затвора, в то время как аналогичная схема IGBT фактически представляет собой смесь МОП-транзистора и биполярного транзистора.

БТИЗ, обещающие высокую скорость переключения наряду с минимальными характеристиками напряжения насыщения, используются в широком диапазоне, от коммерческих применений, таких как устройства использования солнечной энергии и источники бесперебойного питания (ИБП), до потребительской электроники, например, контроля температуры для индукции. варочные панели обогревателей, оборудование для кондиционирования воздуха PFC, инверторы и стробоскопы цифровых камер.

На рис. 2 ниже показана оценка внутренних схем и атрибутов IGBT, биполярных транзисторов и полевых МОП-транзисторов. Фундаментальная структура IGBT такая же, как у полевого МОП-транзистора, имеющего слой p+, помещенный в секцию стока (коллектор), а также дополнительный pn-переход.

Из-за этого всякий раз, когда неосновные носители (дырки) имеют тенденцию внедряться через p+-слой в n-слой с модуляцией проводимости, сопротивление n-слоя резко снижается.

Следовательно, IGBT обеспечивает пониженное напряжение насыщения (меньшее сопротивление в открытом состоянии) по сравнению с MOSFET при работе с большим током, что обеспечивает минимальные потери проводимости.

При этом, учитывая, что для выходного тракта дырок накопление неосновных носителей в периоды выключения запрещено из-за особой конструкции IGBT.

Эта ситуация вызывает явление, известное как хвостовой ток , при котором выключение замедляется. Когда хвостовой ток развивается, период переключения задерживается и задерживается, больше, чем у MOSFET, что приводит к увеличению потерь времени переключения во время периодов выключения IGBT.

Содержание

Абсолютные максимальные характеристики

Абсолютные максимальные характеристики — это значения, предназначенные для обеспечения безопасного и надежного применения IGBT.

Превышение этих заданных абсолютных максимальных значений даже на мгновение может привести к разрушению или выходу из строя устройства, поэтому, пожалуйста, убедитесь, что работаете с IGBT в пределах максимально допустимых номиналов, как это предлагается ниже.

Application Insights

Даже если рекомендуемые параметры приложения, такие как рабочая температура / ток / напряжение и т. д., поддерживаются в пределах абсолютных максимальных значений, в случае, если IGBT часто подвергается чрезмерной нагрузке (экстремальная температура, большой ток / напряжение питания, экстремальная перепады температуры и т. д.), это может серьезно повлиять на долговечность устройства.

Электрические характеристики

Следующие данные информируют нас о различных терминах и параметрах, связанных с IGBT, которые обычно используются для подробного объяснения и понимания работы IGBT.

Ток коллектора, рассеяние на коллекторе : На рис. 3 показана кривая температуры рассеяния на коллекторе IGBT RBN40h225S1FPQ. Максимально допустимое рассеивание коллектора отображается для различных температур корпуса.

Показанная ниже формула становится применимой в ситуациях, когда температура окружающей среды TC = 25 градусов Цельсия или выше.

Pc = (Tjmax — Tc) / Rth(j — c)

Для условий, когда температура окружающей среды TC = 25℃ или ниже, рассеивание на коллекторе IGBT применяется в соответствии с их абсолютным максимальным номинальным значением.

Формула для расчета тока коллектора IGBT:

Ic = (Tjmax — Tc) / Rth(j — c)×VCE(sat)

Однако приведенная выше общая формула представляет собой просто расчет устройства в зависимости от температуры.

Коллекторный ток IGBT определяется их напряжением насыщения коллектор/эмиттер VCE(sat), а также в зависимости от их тока и температурных условий.

Кроме того, ток коллектора (пиковый) IGBT определяется величиной тока, который он может выдержать, что, в свою очередь, зависит от способа его установки и его надежности.

По этой причине пользователям рекомендуется никогда не превышать максимально допустимый предел для IGBT при их использовании в данной схеме.

С другой стороны, даже если ток коллектора может быть ниже максимального номинала устройства, он может ограничиваться температурой перехода устройства или зоной безопасной эксплуатации.

Поэтому обязательно учитывайте эти сценарии при реализации IGBT. Оба параметра, ток коллектора и рассеяние коллектора, обычно обозначаются как максимальные номиналы устройства.

Зона безопасной работы

Зона безопасной работы (SOA) зависит от факторов, которые гарантируют, что рабочее состояние IGBT (во время переключения) находится в пределах допустимого диапазона величин напряжения, тока и мощности.

Важно настроить компоновку схемы таким образом, чтобы траектория переключения устройства во время включения и выключения всегда находилась в пределах допустимого SOA (рис. 4).

SOA IGBT состоит из SOA с прямым смещением и SOA с обратным смещением, однако, поскольку конкретный диапазон значений может отличаться в зависимости от технических характеристик устройства, пользователям рекомендуется проверять эквивалентные факты в листе технических данных.

Зона безопасной работы при прямом смещении

На рис. 5 показана безопасная рабочая зона при прямом смещении (FBSOA) IGBT RBN50H65T1FPQ.

SOA разделена на 4 области в зависимости от определенных ограничений, как показано ниже:

Область ограничена самым высоким номинальным импульсным током коллектора IC (пик).
Область, ограниченная областью рассеяния коллектора
Область, ограниченная вторичным пробоем. Помните, что такая неисправность приводит к сужению зоны безопасной работы IGBT, за исключением случаев, когда устройство имеет резерв вторичного пробоя.
Область, ограниченная максимальным напряжением между коллектором и эмиттером, номиналом VCES.

Зона безопасной работы при обратном смещении

На рис. 6 показана зона безопасной работы при обратном смещении (RBSOA) IGBT RBN50H65T1FPQ.

Эта конкретная характеристика работает в соответствии с SOA обратного смещения биполярного транзистора.

Всякий раз, когда обратное смещение, которое включает в себя отсутствие смещения, подается на затвор и эмиттер IGBT во время его выключения для индуктивной нагрузки, мы обнаруживаем высокое напряжение, подаваемое на коллектор-эмиттер IGBT.

Одновременно с этим постоянно движется большой ток в результате остаточной дырки.

Следует отметить, что в этой функции нельзя использовать SOA с прямым смещением, в то время как SOA с обратным смещением можно использовать.

SOA с обратным смещением разделен на 2 ограниченные области, как описано в следующих пунктах; в конечном итоге область устанавливается путем проверки реальных процедур функционирования IGBT.

Область, ограниченная максимальным пиковым током коллектора Ic(peak).
Область, ограниченная максимальным номинальным напряжением коллектор-эмиттер VCES. Обратите внимание, что IGBT может быть поврежден, если указанная траектория работы VCEIC отклоняется от спецификаций SOA устройства.

Следовательно, при проектировании схемы на основе IGBT необходимо убедиться, что рассеяние и другие характеристики производительности соответствуют рекомендуемым границам, а также должны быть учтены конкретные характеристики и константы пробоя схемы, относящиеся к устойчивости к пробоям. .

Например, SOA с обратным смещением имеет температурную характеристику, которая падает при экстремальных температурах, а рабочее положение VCE/IC смещается в соответствии с сопротивлением затвора IGBT Rg и напряжением затвора VGE.

Поэтому очень важно определить параметры Rg и VGE по отношению к рабочей экосистеме и минимальному значению сопротивления затвора в периоды отключения.

Кроме того, для управления dv/dt VCE может быть полезна схема снаббера.

Статические характеристики

На рисунке 7 приведены выходные характеристики IGBT RBN40х225S1FPQ. На рисунке показано напряжение коллектор-эмиттер, в то время как ток коллектора проходит в ситуации со случайным напряжением затвора.

Напряжение коллектор-эмиттер, влияющее на эффективность обработки тока и потери во время включения, зависит от напряжения затвора и температуры тела.

Все эти параметры необходимо учитывать при разработке схемы драйвера IGBT.

Ток возрастает всякий раз, когда VCE достигает значений от 0,7 до 0,8 В, хотя это происходит из-за прямого напряжения PN-перехода коллектор-эмиттер PN.

На рис. 8 представлены зависимости напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвора IGBT RBN40h225S1FPQ.

По сути, VCE (sat) начинает падать по мере увеличения напряжения затвор-эмиттер VGE, хотя это изменение является номинальным, пока VGE = 15 В или выше. Поэтому рекомендуется по возможности работать с напряжением затвора/эмиттера VGE около 15 В.

На рис. 9 представлены зависимости тока коллектора от напряжения на затворе IGBT RBN40h225S1FPQ.

Характеристики IC/VGE основаны на изменениях температуры, однако область низкого напряжения затвора по направлению к точке пересечения, как правило, имеет отрицательный температурный коэффициент, а область высокого напряжения затвора означает положительный температурный коэффициент.

Учитывая, что силовые IGBT выделяют тепло во время работы, на самом деле предпочтительнее обратить внимание на область положительного температурного коэффициента, особенно при параллельной работе устройств .

Рекомендуемое условие напряжения затвора с использованием VGE = 15 В демонстрирует положительные температурные характеристики.

На рисунках 10 и 11 показано, как характеристики напряжения насыщения коллектор-эмиттер, а также пороговое напряжение затвора
IGBT зависят от температуры.

Из-за того, что напряжение насыщения коллектор-эмиттер имеет характеристики с положительным температурным коэффициентом, ток не проходит легко, когда работа IGBT рассеивает высокую температуру, которая становится причиной блокировки эффективного тока при параллельном IGBT. операция.

Наоборот, работа порогового напряжения затвор-эмиттер зависит от отрицательных температурных характеристик.

При сильном рассеивании тепла пороговое напряжение падает вниз, повышая вероятность неисправности устройства из-за генерирования шума.

Таким образом, внимательное тестирование, основанное на указанных выше характеристиках, может иметь решающее значение.

Характеристики емкости затвора

Характеристики заряда: На рис. 12 показаны характеристики заряда затвора стандартного IGBT-устройства.

Характеристики затвора IGBT в основном соответствуют тем же принципам, что и для мощных полевых МОП-транзисторов, и обеспечивают переменные, определяющие ток возбуждения устройства и рассеяние возбуждения.

На рис. 13 показана характеристическая кривая, разделенная на периоды с 1 по 3.
Рабочие процедуры, относящиеся к каждому периоду, поясняются ниже.

Период 1: Напряжение затвора повышается до порогового значения, при котором ток только начинает течь.

Участок, восходящий от VGE = 0V, отвечает за зарядку емкости затвор-эмиттер Cge.

Период 2: Пока происходит переход из активной области в область насыщения, начинает изменяться напряжение коллектор-эмиттер и заряжается емкость затвор-коллектор Cgc.

Этот конкретный период сопровождается заметным увеличением емкости из-за зеркального эффекта, который приводит к тому, что VGE становится постоянным.

С другой стороны, когда IGBT полностью находится в состоянии ON, изменение напряжения между коллектором-эмиттером (VCE) и зеркальный эффект исчезают.

Период 3: В этот конкретный период IGBT переходит в состояние полного насыщения, и VCE не показывает никаких изменений. Теперь напряжение затвор-эмиттер VGE начинает увеличиваться со временем.

Как определить ток возбуждения затвора

Ток возбуждения затвора IGBT зависит от внутреннего последовательного сопротивления затвора Rg, сопротивления источника сигнала Rs схемы возбуждения, элемента rg, который является внутренним сопротивлением устройства, и напряжения возбуждения VGE (НА).

Ток привода затвора рассчитывается по следующей формуле.

IG(пик) = VGE(вкл) / Rg + Rs + rg

Имея в виду вышеизложенное, IGBT, выходная цепь драйвера должна быть создана с обеспечением токового потенциала возбуждения, эквивалентного или превышающего IG(пик ).

Как правило, пиковый ток оказывается меньше значения, определенного по формуле, из-за задержки в цепи драйвера, а также задержки в нарастании dIG/dt тока затвора.

Это может произойти из-за таких аспектов, как индуктивность проводки от схемы управления до точки подключения затвора устройства IGBT.

Кроме того, свойства переключения для каждого включения и выключения могут сильно зависеть от Rg.

В конечном итоге это может повлиять на время переключения и дефицит переключения. Крайне важно выбрать подходящий Rg с учетом характеристик используемого устройства.

Расчет потерь привода

Потери, возникающие в цепи драйвера IGBT, могут быть представлены с помощью приведенной ниже формулы, если все потери, возникающие в цепи драйвера, поглощаются указанными выше коэффициентами сопротивления. ( f указывает частоту коммутации).

P(Потери привода) = VGE(on) × Qg × f

Характеристики переключения

Учитывая, что IGBT является переключающим компонентом, его скорость включения и выключения является одним из основных факторов, влияющих на эффективность его работы ( потеря).

На рис. 16 показана схема, которую можно использовать для измерения переключения нагрузки индуктивности IGBT.

Поскольку диодный фиксатор подключен параллельно индуктивной нагрузке L, задержка включения IGBT (или потери при включении) обычно зависит от характеристик времени восстановления диода.

Время переключения

Время переключения IGBT, как показано на рис. 17, можно разделить на 4 периода измерения.

В связи с тем, что время резко меняется для каждого отдельного периода в отношении ситуаций Tj, IC, VCE, VGE и Rg, этот период оценивается с учетом следующих описанных условий.

td(on) (время задержки включения) : Момент времени, от которого напряжение затвор-эмиттер увеличивается до 10% от прямого напряжения смещения до уровня, когда ток коллектора увеличивается до 10%.
tr (время нарастания) : Момент времени, начиная с которого ток коллектора увеличивается с 10% до 90%.
td(off) (время задержки выключения) : Момент времени, когда напряжение затвор-эмиттер достигает 90% от прямого напряжения смещения до уровня, когда ток коллектора падает до 90%.
tf (время спада) : Момент времени, начиная с которого ток коллектора уменьшается с 90% до 10%.
ttail(время хвоста) : Период выключения IGBT состоит из времени хвоста (ttail). Это можно определить как время, затрачиваемое избыточными носителями, оставшимися на стороне коллектора IGBT, для отступления в результате рекомбинации, несмотря на то, что IGBT отключается и вызывает увеличение напряжения коллектор-эмиттер.

Характеристики встроенного диода

В отличие от мощных полевых МОП-транзисторов, в IGBT не используется паразитный диод .

В результате встроенный IGBT с предустановленной микросхемой Fast Recovery Diode (FRD) используется для управления зарядом индуктивности в двигателях и аналогичных устройствах.

В этих типах оборудования эффективность работы как IGBT, так и предварительно установленного диода значительно влияет на эффективность работы оборудования и создание шумовых помех.

Кроме того, характеристики обратного восстановления и прямого напряжения являются важными параметрами, связанными со встроенным диодом.

Характеристики обратного восстановления встроенного диода

Концентрированные неосновные носители разряжаются во время состояния переключения, когда прямой ток проходит через диод, пока не будет достигнуто состояние обратного элемента.

Время, необходимое для полного высвобождения этих неосновных несущих, называется временем обратного восстановления (trr).

Рабочий ток в течение этого времени называется током обратного восстановления (Irr), а интегральное значение обоих этих интервалов известно как заряд обратного восстановления (Qrr).

Qrr = 1/2(Irr x trr)

Учитывая, что период времени trr эквивалентно короткому замыканию, это связано с огромными потерями.

Кроме того, он ограничивает частоту на протяжении всего процесса переключения. В целом оптимальным считается быстрый trr и уменьшенный Irr (малый Qrr).

Эти характеристики сильно зависят от прямого тока смещения IF, diF/dt и температуры перехода Tj IGBT.

С другой стороны, если trr становится быстрее, di/dt приводит к тому, что он становится более крутым в период восстановления, как это происходит с соответствующим напряжением коллектор-эмиттер dv/dt, что вызывает увеличение склонности к генерации шума.

Ниже приведены примеры, демонстрирующие способы борьбы с генерацией шума.

Уменьшить diF/dt (уменьшить время включения IGBT).
Включите снабберный конденсатор между коллектором и эмиттером устройства, чтобы свести к минимуму напряжение коллектор-эмиттер dv/dt.
Замените встроенный диод каким-нибудь диодом с программным восстановлением.

Свойство обратного восстановления в значительной степени зависит от допустимой мощности устройства по напряжению/току.

Эта функция может быть улучшена с помощью управления сроком службы, массивной металлической диффузии и различных других методов.

Характеристики прямого напряжения встроенного диода

На рис. 19 показаны выходные характеристики встроенного диода стандартного IGBT.

Прямое напряжение диода VF означает снижение напряжения, возникающее, когда ток IF через диод течет в направлении падения прямого напряжения на диоде.

Так как эта характеристика может привести к потере мощности в процессе генерации противо-ЭДС (обратный диод) в двигателях или индуктивных устройствах, рекомендуется выбирать меньший VF.

Кроме того, как показано на рис. 19, положительные и отрицательные характеристики температурного коэффициента определяются величиной прямого тока диода IF.

Характеристики теплового сопротивления

На рис. 20 показаны характеристики сопротивления IGBT по отношению к тепловым переходным процессам и встроенному диоду.

Эта характеристика используется для определения температуры перехода Tj IGBT. Ширина импульса (PW), показанная по горизонтальной оси, означает время переключения, которое определяет одиночный однократный импульс и результаты повторяющихся операций.

Например, PW = 1 мс и D = 0,2 (рабочий цикл = 20 %) означает, что частота повторения составляет 200 Гц, поскольку период повторения T = 5 мс.

Если представить PW = 1 мс, D = 0,2 и мощность рассеяния Pd = 60 Вт, то можно определить увеличение температуры перехода IGBT ΔTj следующим образом:
ΔTj = Pd × θj — c(t) = 60 × 0,17 = 10,2

Характеристики короткого замыкания нагрузки

В приложениях, требующих мостовых цепей переключения IGBT, таких как инверторы, схема защиты от короткого замыкания (перегрузки по току) становится обязательной для выдерживания и защиты от повреждения в течение времени, пока напряжение затвора IGBT не переключится ВЫКЛ, даже в случае короткого замыкания на выходе блока.

На рис. 21 и 22 показаны время выдержки короткого замыкания и допустимая устойчивость по току короткого замыкания IGBT RBN40х225S1FPQ.

Эта способность выдерживать короткое замыкание IGBT обычно выражается относительно времени tSC.

Выдерживающая способность определяется главным образом на основе напряжения затвор-эмиттер IGBT, температуры корпуса и напряжения источника питания.

На это следует обратить внимание при разработке критической схемы H-моста IGBT.

Кроме того, обязательно выберите устройство IGBT с оптимальными характеристиками по следующим параметрам.

Напряжение затвор-эмиттер VGE : С увеличением напряжения затвора также увеличивается ток короткого замыкания и снижается пропускная способность устройства по току.
Температура корпуса : С увеличением температуры корпуса ΔTj IGBT выдерживаемая токовая способность снижается, пока устройство не достигнет состояния отказа. Напряжение питания
VCC: По мере увеличения входного напряжения питания устройства ток короткого замыкания также увеличивается, что приводит к ухудшению способности устройства выдерживать ток.

Кроме того, в тот момент, когда схема защиты от короткого замыкания или перегрузки определяет ток короткого замыкания и отключает напряжение затвора, ток короткого замыкания на самом деле невероятно превышает стандартную величину рабочего тока IGBT.

В процессе выключения с таким значительным током при стандартном сопротивлении затвора Rg может возникнуть большое импульсное напряжение, превышающее номинал IGBT.

По этой причине необходимо правильно выбрать сопротивление затвора IGBT, подходящее для работы в условиях короткого замыкания, которое должно быть как минимум в 10 раз выше нормального значения сопротивления затвора (но оставаться в пределах значения SOA прямого смещения).

Это необходимо для противодействия генерации импульсного напряжения на электродах коллектор-эмиттер IGBT в периоды, когда ток короткого замыкания отключен.

Кроме того, время выдержки короткого замыкания tSC может привести к распространению перенапряжения на другие связанные устройства.

Необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить достаточный запас минимум в 2 раза больше стандартного периода времени, необходимого для начала работы схемы защиты от короткого замыкания.

Максимальная температура перехода Tjmax для 175 ℃

Абсолютная максимальная температура перехода Tj для большинства полупроводниковых устройств составляет 150 ℃, но Tjmax = 175 ℃ устанавливается в соответствии с требованиями к устройствам нового поколения, чтобы выдерживать повышенные температурные характеристики.
.
В таблице 3 приведен хороший пример условий испытаний IGBT RBN40h225S1FPQ, который рассчитан на работу при температуре 175 ℃ при высоких температурах корпуса.

Чтобы гарантировать эффективную работу при Tjmax = 175 ℃, были улучшены многие параметры стандартного теста на стабильность при 150 ℃ и проведена эксплуатационная проверка.

Сказав это, полигоны варьируются в зависимости от характеристик устройства.

Убедитесь, что вы проверили данные о надежности, относящиеся к устройству, которое вы можете применить, для получения дополнительной информации.

Также помните, что значение Tjmax является не только ограничением для постоянной работы, но также и спецификацией для регулирования, которое не должно превышаться ни на мгновение.

Необходимо строго соблюдать меры безопасности от рассеивания тепла, даже кратковременного для IGBT, во время переключения ВКЛ/ВЫКЛ.

Убедитесь, что работаете с IGBT в среде, которая никоим образом не превышает максимальную температуру пробоя корпуса Tj = 175 ℃.

Потери IGBT

Потери проводимости: При питании индуктивной нагрузки через IGBT возникающие потери в основном подразделяются на потери проводимости и потери переключения.

Потери, возникающие, как только IGBT полностью включается, называются потерями проводимости, а потери, происходящие во время переключения IGBT из состояния ON в OFF или OFF в ON, называются потерями при переключении.

В связи с тем, что потери зависят от реализации напряжения и тока, как показано в приведенной ниже формуле, потери возникают в результате воздействия напряжения насыщения коллектор-эмиттер VCE(sat), даже когда устройство находится в проводящем состоянии.

VCE(sat) должно быть минимальным, так как потери могут вызвать выделение тепла внутри IGBT.
Потери (P) = напряжение (В) × ток (I)
Потери при включении: P(включение) = VCE(sat) × IC

Потери при переключении: Поскольку потери IGBT могут быть затруднительны для оценки с помощью времени переключения, справочные таблицы включены в соответствующие спецификации, чтобы помочь разработчикам схем определить потери переключения.

На рисунке 24 ниже показаны характеристики коммутационных потерь для IGBT RBN40х225S1FPQ.

Коэффициенты Eon и Eoff сильно зависят от тока коллектора, сопротивления затвора и рабочей температуры.

Eon (Потери энергии при включении)

Объем потерь, возникающих в процессе включения IGBT для индуктивной нагрузки, наряду с восстановительными потерями при обратном восстановлении диода.

Eon рассчитывается с момента, когда напряжение затвора подается на IGBT и начинает протекать ток коллектора, до момента времени, когда IGBT полностью переходит во включенное состояние

Eoff (Потери энергии при выключении

Величина потерь, возникающих в течение периода выключения для индуктивных нагрузок, включая остаточный ток

Eoff измеряется от точки, в которой ток затвора только что отключился, а напряжение коллектор-эмиттер начинает возрастать, до момента, когда IGBT полностью отключится.0005

Резюме

Устройство на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGTB) представляет собой тип силового полупроводникового устройства с тремя выводами, которое в основном используется в качестве электронного переключателя и также известно тем, что обеспечивает сочетание чрезвычайно быстрого переключения и высокой эффективности в более более новые устройства.

IGBT для сильноточных приложений

Ряд современных приборов, таких как VFD (приводы с переменной частотой), VSF (холодильники с регулируемой скоростью), поезда, стереосистемы с переключающими усилителями, электромобили и кондиционеры, используют биполярные транзисторы с изолированным затвором для переключения электроэнергии.

Символ режима истощения IGBT

В случае, если в усилителях используются биполярные транзисторы с изолированным затвором, часто синтезируются сложные по своей природе сигналы вместе с фильтрами нижних частот и широтно-импульсной модуляцией; поскольку биполярный транзистор с изолированным затвором в основном спроектирован так, чтобы включаться и выключаться в быстром и быстром темпе.

Частота повторения импульсов характерна для современных устройств, которые состоят из коммутационных приложений и хорошо попадают в ультразвуковой диапазон, то есть частоты, которые в десять раз выше, чем самая высокая звуковая частота, обрабатываемая устройством, когда устройства используются в форме аналогового усилителя звука.

МОП-транзисторы с высоким током и характеристиками простого привода затвора объединены с биполярными транзисторами с низким напряжением насыщения с помощью IGTB.

IGBT представляют собой комбинацию BJT и Mosfet

Единое устройство состоит из IGBT путем объединения биполярного силового транзистора, который действует как переключатель, и полевого транзистора с изолированным затвором, который действует как управляющий вход.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGTB) в основном используется в приложениях, состоящих из нескольких устройств, размещенных параллельно друг другу, и в большинстве случаев способных выдерживать очень высокие токи, которые находятся в диапазоне сотен ампер. наряду с напряжением блокировки 6000 В, которое, в свою очередь, равно сотням киловатт, используется средняя и высокая мощность, такая как индукционный нагрев, импульсные источники питания и управление тяговым двигателем. Биполярные транзисторы с изолированным затвором большого размера.

IGBT — самые совершенные транзисторы

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGTB) — новое и недавнее изобретение того времени.

Было обнаружено, что устройства первого поколения, которые были изобретены и запущены в производство в 1980-х и начале 1990-х годов, имеют относительно медленный процесс переключения и склонны к сбоям в различных режимах, таких как не выключается до тех пор, пока ток продолжает течь через устройство), и вторичный пробой (где, когда через устройство протекает большой ток, локализованная горячая точка, присутствующая в устройстве, переходит в тепловой разгон и в результате сжигает устройство).

Было замечено много улучшений в устройствах второго поколения и самых новых устройствах в блоке, устройства третьего поколения считаются даже лучше, чем устройства первого поколения.

Новые полевые МОП-транзисторы конкурируют с IGBT

Устройства третьего поколения состоят из полевых МОП-транзисторов, конкурирующих по скорости, а также по толерантности и прочности на превосходном уровне.

Устройства второго и третьего поколения состоят из импульсов с чрезвычайно высоким номиналом, что делает их очень полезными для генерации импульсов большой мощности в различных областях, таких как физика плазмы и элементарные частицы.

Таким образом, устройства второго и третьего поколения заменили в основном все более старые устройства, такие как управляемые искровые разрядники и тиратроны, используемые в этих областях физики плазмы и элементарных частиц.

Эти устройства также привлекают любителей высоковольтного оборудования благодаря своим свойствам высокой импульсной мощности и доступности на рынке по низким ценам.

Это позволяет любителю управлять огромным количеством энергии, чтобы управлять такими устройствами, как катушки-резинки и катушки Тесла.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором доступны по доступной цене и, таким образом, играют важную роль в создании гибридных автомобилей и электромобилей.

Предоставлено: Renesas

Полупроводниковые и системные решения — Infineon Technologies

Новинка: МОП-транзистор CoolSiC™ 2000 В

EasyPACK™ 3B поддерживает работу при полном токе при 1500 В постоянного тока с достаточным запасом по перенапряжению — идеально подходит для фотогальванической зарядки и зарядки электромобилей.

Скачать техническое описание

electronica 2022

Посетите нас на выставке electronica в этом году — живите в Мюнхене или в цифровом виде!

Учить больше

Присоединяйтесь к нам на TRUSTECH 2022

Погрузитесь в самое сердце безопасности на выставке TRUSTECH этого года с семейством универсальных решений Infineon SECORA™.

Узнать больше

Масштабируемый автомобильный приборный щиток

Маломощный, построчный графический процессор, функциональная безопасность, встроенный аппаратный модуль безопасности (HSM) и возможность обновления программного обеспечения по беспроводной сети (OTA).