Igbt модуль что это

9

IGBT-транзистор

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor (Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором — БТИЗ).

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 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.

Рис. 1 — IGBT-транзистор FGH40N60SFD

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.

Рис. 2 — 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.

История появления БТИЗ

Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 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 1985 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 90-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 изменяться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах

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). В зарубежных схемах вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

Рис. 3 — Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

Особенности и сферы применения БТИЗ.

Отличительные качества IGBT:

• Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
• Имеют низкие потери в открытом состоянии;
• Могут работать при температуре более 100°C;
• Способны работать с напряжением более 1000 В и мощностями свыше 5 кВт.

Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока, в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорте. 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.

IGBT-модули

IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На рис. 5 показан мощный IGBT-модуль из частотного преобразователя (так называемого «частотника») для управления трёхфазным двигателем.

Рис. 4 — IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2

Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).

Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.

Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 кГц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 В. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.

Igbt модуль что это

IGBT-транзистор – гибридный прибор

IGBT-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated-Gate Bipolar Transistor) – мощные коммутационные полупроводниковые приборы представляющие собой интегральную структуру, состоящую из входного полевого транзистора и силового биполярного транзистора. Используются в 99,999% как ключевые приборы. По электрическим свойствам представляют собой «грейпфрут» полевого транзистора с изолированным затвором и биполярного транзистора. Управление IGBT-транзистором осуществляется напряжением как полевого транзистора, во включенном состоянии имеют некоторое напряжение насыщения цепи коллектор-эмиттер; сравнительно медленное выключение («токовый хвост», как рудимент, доставшийся в наследство от биполярных транзисторов). Подробнее про внутреннюю структуру IGBT-транзисторов изложено в [Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В.П. и др. СОЛОН-Пресс. 2002. 512 с.]. Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР.

Практически все выпускаемые IGBT-транзисторы n-канальные. Теоретически существующие p-канальные IGBT-транзисторы по причине невостребованности на рынке отсутствуют.

Ключевыми преимуществами IGBT -транзисторов являются:

— высокие коммутируемые мощности;

— большие значения рабочего напряжения;

— устойчивость к токовым перегрузкам;

— малые мощности управления.

Области использования IGBT-транзисторов:

— в силовых импульсных преобразователях и инверторах (мощностью более 1 кВт);

— в системах индукционного нагрева;

— в системах управления двигателями (частотно-регулируемые привода).

Таким образом, IGBT-транзисторы используются только в качестве ключевых элементов.

Во многих случаях IGBT-транзисторы содержат в своем составе интегрированный быстродействующий обратный диод.

Условное обозначение и внутренняя структура IGBT-транзистора

Условное обозначение и эквивалентная упрощенная внутренняя структура IGBT-транзистора и реальная эквивалентная схема представлены на рисунке ниже.

Рисунок IGBT.1 — Условное обозначение и эквивалентная упрощенная внутренняя структура IGBT-транзистора и реальная эквивалентная схема.

В некоторых типах IGBT-транзисторов интегрирован отдельный реверсный быстродействющий диод.

Основные параметры IGBT -транзистора

Ниже перечислены основные параметры IGBT-транзистора, которые приводятся в справочных листках.

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-to-Emitter Voltage или Collector-to-Emitter Breakdown Voltage) V_CES – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора.

2. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер V_CE(on) – падение напряжение между коллектором и эмиттеров в открытом состоянии. При заданном токе коллектора и температуре.

3. Максимальное напряжение затвор-исток (Gate-to-Emitter Voltage) V_GE ­– максимальное управляющее напряжение затвор-эмиттер. При превышении этого напряжения возможен пробой затворного диэлектрика и выход транзистора из строя.

4. Максимальный ток коллектора в непрерывном режиме (Continuous Collector Current) I_C – максимальная величина постоянно протекающего тока коллектора. В реальности для IGBT-транзисторов ток существенно зависит от температуры корпуса транзистор и рабочий ток приводится для двух значений температуры 25° С и 100° С.

5. Максимальный импульсный ток через коллектор (Pulsed Collector Current) I_СM — максимальная величина импульсного тока через коллектор. Зависит от коэффициента заполнения, условий теплоотвода. Принципиально ограничивается энергией рассеивания кристалла.

6. Пороговое напряжение затвора (Gate Threshold Voltage) V_GE(th) – напряжение затвора, при котором транзистор начинает переходить в проводящее состоянии.

7. Температурный коэффициент снижения максимального напряжение коллектор-эмиттер (Temperature Coeff. of Breakdown Voltage) ∆V_(BR)CES/∆T_J – коэффициент показывающий снижение максимального напряжение коллектор-эмиттер с увеличением температуры.

8. Температурный коэффициент уменьшения порогового напряжения затвора (TemperatureCoeff. of Threshold Voltage) ∆V_GE(th)/∆TJ — коэффициент показывающий снижение порогового напряжения затвора с увеличением температуры.

9.Ток коллектора при нулевом напряжении затвор-эмиттер (Zero Gate Voltage Collector Current) I_CES – ток утечки через коллекторный переход при выключенном состоянии транзистора.

10. Прямое падение напряжения на обратном диоде (Diode Forward Voltage Drop) V_FM — прямое падение напряжения на интегрированном в конструкцию транзистора быстродейтсвующем обратном диоде.

11. Энергия рассеивания кристалла (Single Pulse Avalanche Energy) E_AS – максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения.

12. Максимальная рассеиваемая мощность (Maximum Power Dissipation) P_D – максимальная тепловая мощность, которая может быть отведена от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

13. Диапазон рабочих температур — диапазон температур, в пределах которого допускается эксплуатация транзистора.

14. Тепловое сопротивление транзистор-воздух R_θJA (Junction-to-Ambient) — максимальное тепловое сопротивление транзистор-воздух (при условии свободного конвективного теплообмена).

15. Тепловое сопротивление кристалл транзистора – корпус транзистора (Junction-to-Case — IGBT) R_θJC — максимальное тепловое сопротивление перехода кристалл транзистора – корпус транзистора.

16. Тепловое сопротивление кристалл диода – корпус транзистора (Junction-to-Case — Diode) R_θJC— максимальное тепловое сопротивление перехода кристалл интегрированного диода – корпус транзистора.

17. Ток утечки затвора (Gate-to-Emitter Leakage Current) I_GES – ток затвора при некотором (как правило, максимальном) напряжении затвор-исток.

18. Общий заряд затвора (Total Gate Charge) Q_g – суммарный заряд затвора необходимый для перевода транзистора в проводящее состояние.

19. Заряд затвор-исток (Gate — Emitter Charge) Q_ge – заряд емкости затвор-эмиттер.

20. Заряд затвор-коллектор (Gate — Collector Charge) Q_gc — заряд емкости затвор-коллектор.

21. Время задержки включения (Turn-On Delay Time) t_d(on) – время за которое транзистор накапливает заряд затвора, при котором транзистор начинает открываться.

22. Время роста тока через транзистор (Rise Time) – время, за которое происходит нарастание тока коллектора транзистора от 10% до 90%.

23. Время задержки выключения (Turn-Off Delay Time) t_d(off) – время за которое заряд затвора становится меньшим заряда включения, и транзистор начинает закрываться.

24. Время спада тока через транзистор (Fall Time) — время, за которое происходит спад тока коллектора транзистора от 10% до 90%.

25. Потери энергии на включение транзистора (Turn-On Switching Loss) E_on — энергия, выделяемая в кристалле при переходном процессе включения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

26. Потери энергии на выключение транзистора (Turn-Off Switching Loss) E_off – энергия, выделяемая в кристалле при переходном процессе выключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

27. Суммарные потери энергии на включение-выключение транзистора (Total Switching Loss) E_ts— суммарные потери энергии на рабочий цикл включения-выключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

28. Максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток (dv/dt ruggedness) — максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток при которой еще не происходит перехода транзистора в проводящее состояние.

29. Индуктивность вывода стока (Internal Emitter Inductance) L_E – паразитная индуктивность вывода эмиттера транзистора.

30. Максимальная скорость обрыва тока при переходе в непроводящее состояние (Diode PeakRate of Fall of Recovery) (di_(rec)M/dt) — максимальная скорость обрыва тока через интегрированный диод при переходе в непроводящее состояние под действием смены полярности.

31. Постоянный прямой ток через обратный диод (Continuous Source-Drain Diode Current) I_S – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

32. Импульсный ток через обратный диод (Pulsed Diode Forward Current) I_SM – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

33. Падение напряжения на диоде (Body Diode Voltage) V_SD – прямое падение напряжения на диоде. При заданных температуре и токе истока.

34. Время восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Time) t_rr — время восстановления обратной проводимости паразитного диода.

35. Заряд восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Charge, Reverse recovery charge) Q_rr – заряд, необходимый для восстановления обратной проводимости паразитного диода.

36. Время включения паразитного диода (Forward Turn-On Time) t_on — время перехода диода в проводящее состояние. Обычно составляет пренебрежимо малую величину.

37. Входная емкость (Input Capacitance) C_ies – сумма емкостей «затвор-коллектор» и «затвор-эмиттер» (при некотором напряжении коллектор-эмиттер).

38. Выходная емкость (Output Capacitance) C_oes – сумма емкостей «затвор-коллектор» и «коллектор-эмиттер» (при некотором напряжении коллектор-эмиттер).

39. Проходная емкость (Reverse Transfer Capacitance) C_res – емкость «затвор-коллектор».

Паразитные емкости IGBT-транзистора

Паразитные емкости IGBT-транзистора (рисунок IGBT.2) являются причиной снижения его быстродействия.

Рисунок IGBT.2 — Паразитные емкости IGBT-транзистора

Классификация IGBT-транзисторов по быстродействию

По скорости переключения IGBT-транзисторы классифицируются на четыре группы как представлено в таблице IGBT.1 :

Таблица IGBT.1 Классификация IGBT-транзисторов по скорости переключения [Мощные и эффективные IGBT седьмого поколения от IR. Донцов Александр. Силовая электроника №5, 2013].

Модуль IGBT

Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи.

Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи.

Применение электронных ключей позволяет упростить схему преобразователей, значительно уменьшить габариты устройств, улучшить технические характеристики.

Основные характеристики полупроводниковых коммутаторов:

• Ток или напряжение управления.
• Номинальное напряжение и ток силового канала.
• Сопротивление канала.
• Допустимая частота переключений.
• Статические и динамические потери.

В схемах преобразователей используют двухоперационные тиристоры с управляющими электродами (GTO и IGCT), силовые биполярные (БП) и полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Первые силовые электронные устройства были выполнены на базе тиристоров и биполярных транзисторов. Первые при всех своих достоинствах не могут обеспечить необходимое быстродействие, управляемые тиристоры используют в среднечастотной области.

Применение биполярных транзисторов существенно ограничивает невысокий коэффициент передачи тока, значительный температурный разброс этого параметра, управление знакопеременным напряжением, невысокая плотность тока силовой цепи.

В схемы с биполярными транзисторами приходится включать дополнительные цепи, обеспечивающие управление и защиту полупроводниковых элементов. Это существенно увеличивает стоимость преобразователей и усложняет их производство.

Основные полупроводниковые элементы силовой электроники сейчас – полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

MOSFET-транзисторы применяются в основном в высокочастотных низковольтных преобразователях, область применения IGBT – мощные высоковольтные схемы.

Конструкция и принцип работы силовых транзисторов

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или биполярный силовой транзистор с изолированным затвором – элемент из двух транзисторов в общей полупроводниковой структуре, устроенный по каскадной схеме. Биполярный транзистор образует силовой канал, полевой – канал управления. Объединение полупроводниковых элементов реализовано структурой элементных ячеек в одном кристалле.

Упрощенная эквивалентная схема биполярных транзисторов с изолированным затвором представлена на рисунке:

IGBT – приборы появились после того, как были выявлены недостатки MOSFET транзисторов в высоковольтных схемах: квадратичная зависимость сопротивления канала от напряжения.

Полупроводниковые приборы IGBT сочетают достоинства силовых биполярных и полевых транзисторов с изолированным затвором:

• Небольшая мощность управления.
• Высокая скорость переключения.
• Маленькие потери при открытом транзисторе.
• Высокое номинальное напряжение силового канала.

Сопротивление канала IGBT-элементов растет пропорционально току, зависимость потерь от величины тока не квадратичная, как у транзисторов MOSFET. Быстродействие силовых элементов с изолированным затвором превосходит скорость коммутации биполярных транзисторов, но уступает элементам MOSFET.

Структура IGBT представлена на рисунке. В области стока нанесен еще один дополнительный p+-слой, который образует биполярный транзистор.

При закрытом ключе, напряжение приложено к n–-слою. При подаче на изолированный затвор управляющего напряжения, область р образует открытый канал, включая полевой транзистор, который в свою очередь отпирает биполярный p-n-p элемент. Между внешним коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока полевой ячейки усиливается. При открытой биполярной ячейке, остаточное напряжение в n–-области падает еще благодаря потокам электронов и дырок.

Напряжение на включенном транзисторе определяется из выражения:

Где Uбэ – напряжение база-эмиттер открытого ключа, Rпол – сопротивление полевой ячейки, Iб – ток базы, Iк – ток коллектора, B – коэффициент передачи тока биполярной ячейки. Для снижения падения напряжения на открытых IGBT приборах применяют вертикальные затворы. Площадь ячейки транзистора уменьшают в 2-5 раз.

Падение напряжения на открытом IGBT зависит от температуры гораздо меньше аналогичного параметра MOSFET-транзисторов. На рисунке приведен график падения напряжения в функции температуры для 2 IGBT транзисторов и одного полевого прибора.

Как и биполярные транзисторы, IGBT способны накапливать заряд, который является причиной остаточного тока и нагрева прибора при запирании. Между электродами и переходами полевой и биполярной элементной ячейки образуются паразитные емкости. Время рассасывания заряда для IGBT прибора составляет всего 0,2-1,5 мкс, при коммутации с частотой 10-20 кГц для надежной работы транзисторов не нужно включать в схему дополнительные цепи.

Потери в транзисторах

Различают 3 типа потерь мощности на транзисторах: статические, динамические, в цепи управления.

Первые обусловлены токами утечки в запертом состоянии, сопротивлением полупроводникового кристалла. Статические потери рассчитывают по формуле:

где U(0) – падение напряжения, Iср и Irms – средний и среднеквадратичный ток соответственно.

Динамические потери возникают при открывании и запирании транзистора. Они определяются по графику и зависят от частоты коммутаций, температуры, напряжения на коллекторе, тока в момент переключения.

Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь.

В области частот 10-20 кГц потери мощности на IGBT-транзисторах малы и не вызывают сильного нагрева, который приводит к тепловому пробою.

Модули IGBT

Для снижения количества внешних элементов выпускают модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты.

Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей.

Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для одного транзистора, можно подключать модули параллельно.

В этом случае выбирают транзисторы IGBT с одинаковым пороговым напряжением во включенном состоянии. Разница в параметрах приводит к несимметричному току на транзисторах. При параллельном включении также учитывают увеличившуюся входную емкость, драйвер управления должен обеспечить заданную скорость коммутации.

Выбор модулей IGBT

Транзисторные модули выбирают по нескольким основным характеристикам:

• Максимальный ток коллектора Iс. Производители обычно приводят 2 значения. Одно при стандартной температуре в помещениях +25°С, второе при +80°С. В руководствах приведен график зависимости тока коллектора от температуры. Для определения промежуточных значений можно воспользоваться им.
• Напряжение «коллектор-эмиттер». Характеристика определяет класс полупроводникового элемента. При выборе необходимо воспользоваться таблицей класса напряжений IGBT-транзисторов для промышленных сетей.
• Рабочее максимальное напряжение «коллектор-эмиттер». Для стабильной работы модуля пиковые величины не должны быть больше 80 % номинального значения. Нормальное рабочее напряжение не должно превышать 60% от номинала.
• Заряд затвора и напряжение насыщения. Характеристики нужны для расчета драйвера и определения потерь при открытом транзисторе.

Для выбора полупроводниковых модулей IGBT для преобразователей рекомендует следующий алгоритм:

• Определение номинального и максимального напряжения звена постоянного тока.
• Выбор типа модуля по классификационному напряжению.

• Определение предельного тока на выходе преобразователя.
• Выбор максимальной частоты переключений для предельного выходного тока.
• Выбор модуля IGBT с номинальным током не меньше предельного значения на выходе преобразователя.
• Расчет статических и динамических потерь в каждом элементе модуля при максимально допустимой температуре IGBT.
• Расчет предельной температуры радиатора в зоне установки модуля.
• Вычисление общих потерь на модуль.

Значение температуры выбирают с запасом. При превышении расчетного значения допустимой величины, необходим выбор модуля с большим номинальным током. При большом запасе выбирают IGBT с меньшим номинальным током и заново выполняют расчеты.

Управление модулями IGBT

Модули IGBT управляются драйверами. Микросхемы вырабатывают управляющие импульсы, обеспечивают коммутацию ключей в нужном частотном диапазоне, согласовывают работу полупроводниковых устройств с блоком управления.

При выборе драйверов для модулей, производители рекомендуют руководствоваться следующими рекомендациями:

Напряжение цепи «коллектор-эмиттер» для снижения динамических потерь и обеспечения стабильной работы транзистора при отпирании ключа должно составлять +15±10% В, при запирании -7…-15 В. Максимальная величина – не более ±20 В.

Длительность импульсов напряжения выхода драйвера должна быть меньше времени коммутации транзисторов в 5-10 раз.

Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь. Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей.

Напряжение запирания должно обеспечивать гарантированное отключение IGBT при любых условиях.

Для уменьшения помех необходимо подключать драйвер к модулю витой парой или устанавливать плату на контакты управления модулем.

Схема электропитания организовывается следующим образом: вначале напряжение подается на драйвер, затем на модуль.

Для предотвращения эффекта «защелкивания» паразитной p-n-p-n структуры, образуемой модулем и выходным каскадом микросхемы управления, исток биполярной ячейки, общий выход драйвера и отрицательную клемму сглаживающего фильтра присоединяют на общую шину.

Защита и охлаждение IGBT

Для ограничения перенапряжений при переключении транзисторов используют RC- и RCD-фильтры, включаемые в силовую цепь.

Для снижения больших перенапряжений при переключениях используют настройки драйвера: напряжение на выходе управляющего устройства должно снижаться меньше, чем в обычных условиях работы модуля и выключение электронных ключей в 2 этапа. На первом в цепь затвор-эмиттер включается резистор, затем, при достижении номинального значения тока коллектора, модуль резко отключается.

Для снижения выравнивающих токов в цепи эмиттера ставят резистор номиналом до 0,1 от эквивалентного сопротивления транзистора.

При большой разнице в задержке переключения, применяют индуктивности для равномерного распределения тока в транзисторах. Их параметры рассчитывают по формуле:

Где U – напряжение на шине, ∆I – отклонение от среднего значения тока, Dt – разность времени переключения.

Для борьбы с токами короткого замыкания в цепь «затвор – эмиттер» включают защиту.

Это предотвратит увеличение напряжения при резком скачке тока и выход полупроводникового устройства из режима насыщения.

При транспортировке, монтаже и эксплуатации IGBT должна учитываться чувствительность модулей к статическим зарядам. Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на 10-20 кОм. При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа. Работы по установке необходимо проводить в антистатических браслетах. Инструменты и измерительные приборы также необходимо заземлить.

При разработке преобразователей на базе IGBT модулей требуется предусмотреть эффективное охлаждение. Для теплового расчета применяется эквивалентная схема устройства:

Расчет осуществляется по формуле:

где РП – мощность потерь полупроводникового прибора, Rt h( р ) – тепловое сопротивление проводящего материала.

Монтаж модулей IGBT

Для эффективного охлаждения полупроводниковых модулей необходимо подготовить поверхность радиатора и обеспечить плотное прилегание подложки прибора к охладителю. Шероховатость поверхностей должна быть не более 10 мкм, отклонение от параллельности –меньше 20 мкм на расстоянии до 10 см.

Перед монтажом нужно убедиться, что на поверхностях нет твердых частиц, а также обезжирить подложку и радиатор любым неагрессивным к материалам компонентов растворителем.

Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений. Характеристики материала должны сохраняться при любой температуре эксплуатации на протяжении всего срока службы. Рекомендованный запас по температуре – 10%. Перед нанесением пасты контактные поверхности охладителя и подложки обезжиривают безворсовой тканью, смоченной в растворителе. Толщину слоя пасты регулируют специальным гребешком. При нанесении теплопроводящего материала избегают его попадания на радиатор и в гнезда для резьбовых соединений.

Крепление силовых моделей осуществляют в следующем порядке:

• Фиксируют корпус двумя диагональными болтами.
• Наносят теплопроводящий материал.
• Затягивают болты по диагонали (рекомендованное усилие 0.5 Нм ± 15%).
• Выдерживают полчаса для заполнения пустот теплопроводящей пастой.
• Затягивают болты с усилием 3-5 Нм.

Для затяжки применяют электронные инструменты с небольшой частотой вращения и функцией контроля усилий. Применять пневматику нельзя, такой инструмент недостаточно точен и может создать избыточное усилие затяжки, которое приводит к напряжениям на корпусе прибора и трещинам полупроводникового кристалла.

При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки.

Заключение

Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором обладают:

• Высоким входным сопротивлением.
• Низким остаточным напряжением в открытом состоянии.
• Малыми потерями при высоких токах и напряжениях.

Полупроводниковые устройства могут применяться при напряжении 10 кВ и коммутации токов до 1200 А. На базе IGBT производят частотные преобразователи для электроприводов, бестрансформаторные конверторы и инверторы, сварочное оборудование, регуляторы тока для мощных приводов.

В области частот 10-20 кГц ключи на транзисторах GBT значительно превосходят устройства на полупроводниковых приборах других типов.

IGBT – силовые транзисторы — Принцип действия биполярного транзистора с изолированным Затвором (IGBT)

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про igbt, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое igbt, силовые транзистор, транзистор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

Напомним что такое полупроводниковые триоды, называемые транзистор ами, служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: очень большим сроком службы, малыми размерами, большой механической прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначительным собственным потреблением энергии.
Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной проводимостью.

IGBT – силовые транзистор ы Insulated Gate Bipolar Transistor — новый класс силовых приборов, совмещающих в себе преимущества биполярных и полевых транзисторов.
Управление током в таких приборах осуществляется напряжением подаваемым на затвор.
IGBT впервые разработан в научно-исследовательской лаборатории фирмы General Elektrik и выпущен на рынок фирмой Motorola.
IGBT представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от низковольтного полевого МОП- транзистора с индуцированным каналом через высоковольтный n-канал.

Обозначение IGBT

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные транзисторы (BPT) и идущие им на смену полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) .

MOSFET транзисторы, появившиеся в 80-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 80-х годов возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине 90-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.

Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.

IGBT-прибор представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного MOSFET-транзистора с индуцированным каналом (рис. 1,а).

Рис. 1. Эквивалентные схемы IGBT транзистора

IGBT-приборы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и MOSFET-транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации). В то же время потери у них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у полевых транзисторов. Максимальное напряжение IGBT-транзисторов ограничено только технологическим пробоем и уже сегодня выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4000 В. при этом остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии не превышает 2…3 В.

По быстродействию силовые IGBT-приборы пока уступают MOSFET-транзисторам, но превосходят биполярные.

Структура и устройство IGBT транзистора

Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис. 2а. Она содержит в стоковой области дополнительный p+-слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи. При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обедненной области эпитаксиального n–-слоя. При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора. Между внешними выводами ячейки ? коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП транзистора оказывается усиленным в (B+1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n–-область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.

Рис.2. Структуры элементарных ячеек IGBT транзисторов

Напряжение на открытом приборе складывается из напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе p-n-p-транзистора (диодная составляющая) и падения напряжения на сопротивлении модулируемой n–-области (омическая составляющая):

,

где RМДП — сопротивление MOSFET транзистора в структуре IGBT (сопротивление эпитаксиального n–-слоя); b — коэффициент передачи базового тока биполярного p-n-p-транзистора.

В настоящее время для уменьшения падения напряжения на IGBT транзисторах в открытом состоянии, расширения диапазонов допустимых токов, напряжений и области безопасной работы они изготавливаются по технологии с вертикальным затвором — trench-gate technology (рис. 2б). При этом размер элементарной ячейки уменьшается в 2…5 раз.

Как правило, в области рабочих токов, на которые проектируется структура IGBT, остаточное напряжение на приборе слабо зависит от температуры (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость падения напряжения на открытом приборе от температуры для высоковольтного MOSFET транзистора IRF840 и IGBT транзисторов при токе 10 А

Усилительные свойства IGBT-прибора характеризуются крутизной S, которая определяется усилительными свойствами МДП и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП транзисторами.

Динамические характеристики IGBT структуры определяются внутренними паразитными емкостями, состоящими из межэлектродных емкостей МДП транзистора и дополнительных емкостей p-n-p-транзистора.

Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2…0,4 и 0,2…1,5 мкс соответственно. Область безопасной работы современных IGBT транзисторов позволяет успешно обеспечить их надежную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц.

Типовые характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис. 4-6 .

Рис. 4. Семейство выходных вольт-амперных характеристик IGBT-транзистора

Рис. 5. Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвор-эмиттер

Рис. 6. Динамические характеристики IGBT транзисторов(для полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой): td(on) и td(off) — времена задержки переключения; tr — время нарастания коллекторного тока; tf — время спада коллекторного тока

В общем случае выход из строя IGBT-транзисторов связан с нарушением границ области безопасной работы. Основная часть аварийных ситуаций связана с превышением максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер. Индуктивная нагрузка и переходные режимы напряжения питания коллекторной цепи также могут вызвать разрушение IGBT-приборов. В настоящее время, нет проблем купить IGBT транзисторы. Интернет магазин Dalincom предлагает большой выбор современных IGBT транзисторов по низим ценам.

Неприятной особенностью IGBT-транзисторов некоторых производителей является эффект "защелки", который связан с наличием триггерной схемы, образованной биполярной частью IGBT-структуры и паразитным n-p-n транзистором (рис . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 1б). При определенных условиях работы, когда напряжение на паразитном резисторе Rs превышает некоторое пороговое значение, n-p-n транзистор открывается, триггер опрокидывается и происходит защелкивание. Следствием этого, как правило, является лавинообразный выход прибора из строя.

При разработке электронных схем с использованием IGBT-транзисторов в которых такая ситуация возможна, следует особое внимание уделять ограничению максимальных токов и ограничению dV/dt. Для ограничения тока короткого замыкания при аварийном режиме рекомендуется включение между затвором и эмиттером защитной цепи, предотвращающей увеличение напряжения затвор-эмиттер при резком нарастании тока коллектора. Наилучшим вариантом является подключение параллельно цепи затвор-эмиттер последовательно соединенных диода Шоттки и конденсатора, заряженного до напряжения +15…+16 В. Допускается применение в качестве защитного элемента стабилитрона на напряжение 15…16 В.

Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер следует применять снабберные RC- и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах .

Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для нормального включения и перевода IGBT-транзистора в состояние насыщения при обеспечении минимальных потерь в этом состоянии необходим заряд входной емкости прибора (1000…5000 пФ) до +15 В ±10%. Перевод прибора в закрытое состояние может осуществляться как подачей нулевого напряжения, так и отрицательного — не более –20 В (обычно в пределах –5…–6 В). Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер не должно превышать +20 В. Превышение этого напряжения может пробить изоляцию затвора и вывести прибор из строя. Не рекомендуется работа IGBT-транзистора и при "подвешенном" затворе, так как в противном случае возможно ложное включение прибора.

С целью снижения динамических потерь и увеличения частоты коммутации необходимо обеспечить малое время переключения прибора. Время переключения для большинства ключей на IGBT-транзисторах лежит в пределах 100…1000 нс, что требует обеспечивать перезаряд входной емкости в течение короткого времени с помощью токовых пиков до 5 А и более. Необходимо также уменьшать отрицательную обратную связь, которая может возникнуть из-за индуктивности слишком длинного соединительного проводника к эмиттеру прибора.

Длина соединительных проводников между управляющей схемой и мощным полевым транзистором должна быть минимальной для исключения помех в цепи управления. Для соединения целесообразно использовать витую пару минимальной длины или прямой монтаж платы управляющей схемы на выводы управления транзистора. Если не удается избежать длинных проводников в цепи затвора, то в качестве меры предосторожности необходимо включить последовательно с затвором резистор с небольшим сопротивлением. Обычно достаточно, чтобы сопротивление этого резистора лежало в диапазоне 100…200 Ом.

Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как, например, КМОП-приборы, из-за того, что входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему. Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10…20 кОм.

Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис. 7.

Рис. 7. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов

Компания International Rectifier (IR) выпускает четыре семейства IGBT-транзисторов, ориентированных на применение в различных областях силовой электроники. Разделение по классам идет по диапазону рабочих частот. Так выделяют семейства Standart, Fast, UltraFast, Warp (табл. 1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики различных семейств IGBT-транзисторов компании IR

Транзисторы семейства Standart оптимизированы на применение в цепях, где необходимо малое падение напряжения на ключе и малые статические потери.

Транзисторы семейства UltraFast и Warp оптимизированы на применение в ВЧ цепях, где необходимо иметь малые динамические потери. Малая энергия переключения позволяет использовать транзисторы Warp вплоть до частот 150 кГц, а транзисторы UltraFast — до 60 кГц при приемлемом уровне динамических потерь.

Транзисторы семейства Fast являются некоторым компромиссом между рассмотренными семействами. Обладая невысоким падением напряжением и приемлемыми потерями, транзисторы Fast могут использоваться в цепях, где не требуется очень высокие скорости переключения, в схемах, где применение Standart приведет к большим динамическим потерям, а применения Warp приведет к высоким статическим потерям. По скоростям переключения сравнимы с биполярными транзисторами.

В рекомендациях по применению компания International Rectifier указывает, что в IGBT транзисторах нового поколения триггерная структура подавлена полностью. Кроме этого обеспечивается почти прямоугольная область безопасной работы.

Цифро-буквенное обозначение IGBT-транзисторов, выпускаемых компанией приведено на рис. 8.

Рис. 8. Обозначение IGBT-транзисторов компании IR

В табл. 2 приведены параметры IGBT-транзисторов средней мощности с максимальным напряжением 600 В, которые находят широкое применение в бытовой и офисной технике .

Таблица 2. IGBT-транзисторы компании IR

Принцип работы

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n — канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного транзистора.
• Мощность сигнала, подаваемого на затвор такого прибора, значительно меньше, чем в биполярных транзисторах, что позволяет использовать менее мощные цепи управления.
• Благодаря высокому быстродействию эти приборы позволяют повысить рабочую частоту силовых систем и за счет этого улучшить КПД и габаритные показатели, т.е. решают проблемы энерго — и ресурсосбережения

Принцип действия биполярного транзистора с изолированным

Затвором (IGBT)

Развитие полупроводниковой электроники привело к созданию в 1980-х годах новой разновидности мощных устройств, выгодно отличающихся как от полевых транзисторов, так и от биполярных структур (транзисторов и тиристоров).

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) – полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого – трехслойная p-n структура. Его включение и отключение осуществляется подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.

Рис. Структура (а), упрощенная эквивалентная схема (б) и условное обозначение (в) IGBT

На рис. представлена структура одной ячейки транзистора. Большое количество таких ячеек , соединенных параллельно, образует полную структуру транзистора, что позволяет получать значительный ток в главной цепи. Верхняя часть структуры, обозначенная на рисунке цифрой 1, представляет собой полевой транзистор с индуцированным каналом n—типа. Нижняя часть структуры, обозначенная цифрой 2 образует p-n-p биполярный транзистор с переходами П1 и П2.

При приложении положительного потенциала к аноду переход П1 смещается в прямом направлении, а П2 — в обратном. При нулевом потенциале на затворе канал отсутствует и МОП транзистор закрыт. При этом биполярный транзистор работает в режиме с отключенной базой и находится в закрытом состоянии. Структура в этом режиме выдерживает значительные анодные напряжения (не превышающие напряжения пробоя перехода П2). При подаче на затвор положительного напряжения, превышающего пороговое значение 5 – 7 В, в МОП транзисторе формируется проводящий канал и он открывается. Электроны из области истока n+ проходят зону p+ и поступают в базовую область n(сток). Поскольку эта область одновременно является базой для p-n-p биполярного транзистора, увеличение концентрации электронов в ней приводит к понижению потенциала перехода П1. Усиливается инжекция дырок из нижней p+ области , что приводит к росту тока в цепианод –катод. Сопротивление базы при этом снижается, что приводит к снижению падения напряжения на IGBT.

При снятии напряжения на затворе происходит выключение IGBT..

Характеристики и основные свойства IGBT транзисторов.

Коммерческое использование IGBT началось в 1980-х годах и прошло в четыре стадии, сопровождавшихся повышением прямых напряжений и токов, которые сейчас составляют 4500 В, 1800 А, при частотах до 50 кГц. Этот вид устройств позволил использовать достоинства и избежать недостатков как МОП, так и биполярных структур.

МОП транзисторы обладают высоким входным сопротивлением, высоким

быстродействием, но имеют высокое сопротивление канала и высокое остаточное напряжение в открытом состоянии. Приборы с биполярным механизмом имеют низкое сопротивление и остаточное напряжение, но облада-

ют низким быстродействием, а тиристоры к тому же требуют достаточно большой входной ток.

IGBT транзисторы совмещают достоинства обоих исходных структур. Они имеют высокое входное сопротивление, малое остаточное напряжение в открытом состоянии, высокую плотность тока и высокое быстродействие. На рис. приведены выходные вольтамперные характеристики IGBT транзистора, а на рис. показаны зависимости плотности тока от прямого напряжения для транзисторов IGBT, МОП и биполярных. По кривым видно, что падение напряжения на открытом транзисторе не превышает 4 В. Кроме того, при типичном для приборов с напряжением пробоя 600 В рабочем прямом падении напряжения в 3 В плотность тока IGBT транзистора примерно в 20 раз больше, чем у мощного МОП транзистора.

IGBT транзисторы выполняются в виде модулей с односторонним прижимом или в таблеточном исполнении. Из-за малого входного тока цепи управления – драйверы, компактны и могут входить в структуру прибора. Выпускаются «интеллектуальные» модули, которые помимо драйверов содержат устройства защиты, диагностики, однокристальные ЭВМ. Модули могут содержать по два IGBT , а также шунтирующий диод, включенный в обратном направлении. Для корпусов применяются композитные материалы, которые обеспечивают хорошую изоляцию и отвод тепла.

IGBT транзисторы находят применение при создании широкого ряда преобразователей для электроприводов мощностью до 100 кВт.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• КМОП — матрица
• SRAM ( память )
• Логические элементы
• МОП -структура
• ТТЛ
• полевые транзисторы , полевой транзистор , полупроводниковые триоды , mosfet ,
• эффект защелкивания ,
• моп-структура , моп ,
• кмоп , комплементарная структура металл-оксид-полупроводник ,

А как ты думаешь, при улучшении igbt, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое igbt, силовые транзистор, транзистор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база