Как управлять igbt транзистором

31

Управление изолированным затвором IGBT. Основные положения, Часть 1

Любому разработчику электроники знаком термин «драйвер». В силовой электронике так называют микросхему или устройство, управляющее полупроводниковым модулем (MOSFET, IGBT, тиристор и т.д.) и выполняющее защитные и сервисные функции. Главной задачей, решаемой схемой управления затвором, является согласование уровней импульсов, вырабатываемых контроллером, с сигналами управления входами силовых ключей. В статье рассматриваются базовые принципы управления изолированным затвором, даются рекомендации по расчету характеристик и выбору устройств управления.

Характеристика затвора и динамические свойства IGBT

Драйвер изолированного затвора MOSFET/IGBT, как связующее звено между контроллером и силовым каскадом, является одним из ключевых компонентов преобразовательного устройства. Характеристики схемы управления во многом определяют параметры самого преобразователя — величину статических и динамических потерь, скорость переключения, уровень электромагнитных помех. С этой точки зрения расчету режимов управления и выбору драйвера следует уделять самое пристальное внимание.

Поведение IGBT в динамических режимах в первую очередь зависит от значения емкостей затвора, а также внутреннего и внешнего импеданса цепи управления.

Рис. 1. Паразитные емкости IGBT

На рисунке 1 показаны основные паразитные емкости переходов, нормируемые в технических характеристиках:

CGE — емкость «затвор — эмиттер»;

CCE — емкость «коллектор — эмиттер»;

CGC — емкость «затвор — коллектор» (или емкость Миллера).

Емкости затвора не изменяются с температурой, а их зависимость от напряжения «коллектор-эмиттер» становится более выраженной при снижении значения VCE. Заряд затвора QG, определяемый значениями CGC и CGE, является ключевым параметром при расчете мощности, рассеиваемой схемой управления.

Поведение IGBT при его открывании полностью определяется характеристикой заряда затвора. Упрощенные эпюры напряжения «затвор-эмиттер» VGE, тока затвора IG, тока коллектора IC и напряжения «коллектор-эмиттер» VCE в процессе перехода транзистора в насыщенное состояние представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Упрощенные эпюры процесса включения IGBT

Процесс включения IGBT условно можно разделить на три этапа, которые связаны с первичным зарядом входной емкости CGE, зарядом емкости Миллера CGС и, наконец, полным зарядом CGE, идущим до насыщения транзистора.

Рассмотрим более подробно процесс включения транзистора, эпюры которого представлены на рисунке 2. На отрезке времени t0 происходит начальный заряд входной емкости затвора CGE. Для упрощения будем считать, что заряд производится постоянным током, поэтому данному этапу соответствует первый линейный участок нарастания напряжения VGE, который продолжается до момента времени t1. В этой точке напряжение затвора достигает порогового значения отпирания транзистора VGE(th). В зависимости от свойств транзистора и импеданса цепи управления, ток затвора IG на данном участке может достигать значения в несколько десятков Ампер. Поскольку до точки t1 напряжение затвора находится ниже порога отпирания, отсутствует ток коллектора IC, а напряжение «коллектор-эмиттер» VCЕ остается равным напряжению питания VCC.

Как только сигнал управления становится выше порогового значения, начинается включение IGBT, характеризующееся ростом тока коллектора до значения, ограничиваемого нагрузкой (ICload). Сказанное справедливо при использовании идеального оппозитного диода, в реальных схемах амплитуда тока в момент включения несколько превышает величину ICload. Причиной этого является процесс обратного восстановления диода, в результате чего ток восстановления Irr добавляется к IC на время перехода диода в непроводящее состояние. Именно поэтому напряжение VCE на отрезке времени t1 остается на прежнем уровне.

Далее сигнал управления затвором достигает величины VGE(pl), носящей название «плато Миллера», она поддерживается в течение промежутков времени t2 и t3. На этом же этапе после полного выключения оппозитного диода начинается спад напряжения коллектора VCE, скорость которого dVCE/dt во время t2 достаточно высока. Она снижается на промежутке t3, в течение которого транзистор переходит в насыщенное состояние. Все это время в соответствии с графиком, приведенным на рисунке 1b, емкость Миллера CCG возрастает и заряжается частью тока затвора IGС, что и обусловливает стабилизацию сигнала управления затвором на уровне VGE(pl).

В начале временного отрезка t4 транзистор уже полностью включен, а емкость CCG — заряжена. Экспоненциально спадающий ток затвора продолжает поступать во входную емкость CGE, доводя напряжение на ней до максимального значения VGE(on), определяемого схемой управления. В конце данного этапа величина VCE достигает своего минимума, называемого напряжением насыщения VCEsat.

При выключении транзистора описанные процессы происходят в обратном порядке.

Измерение характеристик затвора

На рисунке 3а показана схема, которая может быть использована для измерения заряда затвора. Включение и выключение IGBT производится от источника стабилизированного тока +IG/-IG.

Рис. 3. а) схема измерения заряда затвора, b) типовая характеристика затвора VGE = f(t) « VGE = f(QG), c) экстраполяция характеристики

К транзистору прикладывается напряжение питания VCC, амплитуда импульса тока коллектора ICpulse ограничена величиной нагрузки RL. Поскольку ток затвора стабилен, напряжение VGE изменяется линейно на каждом временном участке, так же линейно, в соответствии с соотношением QG = IG × t идет накопление заряда. Вследствие этого, изменение напряжения на затворе оказывается эквивалентно характеристике затвора: VGE = f(t) « VGE = f(QG), как показано на рисунке 3b. Данный метод определения характеристики QG описан в документе IEC 60747-9, Ed.2: «Semiconductor Devices — discrete Devices — Part 9: Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBT).

Если в спецификации транзистора приводится только положительная область характеристики, то суммарное значение QG может быть определено с помощью экстраполяции, как показано на рисунке 3с. Светло-зеленый прямоугольник представляет собой квадрант величин, нормированных в технических характеристиках. С помощью параллельного переноса этой зоны вдоль графика QG до значения VG(off) можно получить характеристику, расположенную в 1 и 3 квадрантах.

Заряд затвора QG можно также определить расчетным способом на основании величины входной емкости Ciss:

QG = CG × (VG(on) — VG(off)), где CG = kC × Ciss

Коэффициент пересчета емкости затвора kC определяется в соответствии с выражением kC = QG(ds)/(Cies × (VG(on) — VG(off))),

где QG(ds) — номинальное значение заряда, нормируемое в спецификациях при заданных напряжениях управления VG(on)/VG(off).

Ток затвора и выходная мощность драйвера

Мощность, необходимая драйверу для коммутации IGBT, является функцией частоты коммутации fsw и энергии E, необходимой для заряда и разряда емкостей затвора. Таким образом, выходная мощность схемы управления изолированным затвором PGD(out) определяется по следующей формуле: PGD(out) = E × fsw.

В свою очередь величина Е зависит от значения заряда затвора QG и перепада управляющего напряжения dVG: E = QG × (VGon — VGoff). Отсюда результирующее выражение для определения мощности драйвера: PGD(out) = QG × (VGon — VGoff) × fsw.

Еще одним важным параметром является величина тока затвора IG, которого должно быть достаточно для коммутации упомянутых выше емкостей и, следовательно, для переключения IGBT. На рисунке 4 показано, как распределяется ток управления затвором IGBT IG между его входными емкостями CGE и CGC.

Рис. 4. Емкости и токи затвора

Минимальная величина IG может быть рассчитана следующим образом: IG=IGE + IGC = QG × fsw.

В свою очередь пиковое значение тока затвора IGpeak, определяющее скорость перезаряда QG, непосредственно влияет и на скорость переключения IGBT. При увеличении значения IGpeak сокращается время включения ton и выключения toff и соответственно уменьшаются коммутационное потери. Это неизбежно влияет и на другие важные динамические свойства IGBT, например, на величину коммутационного всплеска напряжения при выключении, зависящего от скорости спада тока di/dt. С этой точки зрения повышение скорости коммутации является в большей степени негативным фактором, снижающим надежность работы устройства.

Теоретическое пиковое значение тока затвора определяется по формуле IGpeak = (VG(on) — VG(off))/(RG + RG(int)), где RG(int) — внутренний импеданс цепи управления, включающий резистор, устанавливаемый внутри модуля IGBT. На практике амплитуда тока оказывается несколько меньше расчетного уровня из-за наличия распределенной индуктивности цепи управления.

Максимально допустимое значение выходного тока, как и минимальная величина RG, как правило, указывается в спецификации драйвера. Необходимо учесть, что несоблюдение требований по ограничению предельной величины IGpeak может привести к выходу схемы управления из строя.

Выбор драйвера

При выборе устройства управления затвором IGBT необходимо принимать во внимание следующие требования:

• справочное значение среднего тока драйвера IGav должно быть выше расчетного значения, а максимально допустимая величина его пикового тока IGpeak должна быть равной или превышать реальное значение, ограниченное импедансом цепи управления;
• выходная емкость схемы управления (емкость, установленная по питанию выходного каскада) должна быть способной запасать заряд (QC = C × U), необходимый для коммутации IGBT;

С помощью приведенных выше формул и выражений разработчик может определить все необходимые параметры схемы управления затвором. Для автоматизации этого процесса специалисты компании SEMIKRON разработали простую программу DriverSEL, позволяющую определить все необходимые параметры и произвести выбор соответствующего драйвера.

Программа DriverSEL доступна для свободного пользования на сайте компании http://www.semikron.com/ . Следует отметить, что она позволяет проводить анализ режимов работы схемы не только при управлении модулем IGBT (или их параллельным соединением) SEMIKRON, но и любого другого производителя. В первом случае параметры цепи затвора берутся из встроенной базы данных, во втором они должны быть описаны пользователем с помощью меню «User Defined Module Parameters».

На рисунке 5 показано рабочее окно программы DriverSel, состоящее из трех фрагментов: меню ввода данных, результаты расчетов и типы драйверов, рекомендуемые SEMIKRON для заданных режимов работы.

Рис. 5. Рабочее окно программы DriverSel

Для расчета DriverSel необходима следующая информация:

1. тип модуля (в данном случае SEMiX 653GD176HDc), при этом программа получает из базы данных информацию о заряде затвора QG, рабочем напряжении и конфигурации модуля;
2. количество параллельно соединенных модулей — это число позволяет определить суммарный заряд затвора, на основании чего производится расчет мощности, рассеиваемой драйвером;
3. рабочая частота fsw — информация, также необходимая для определения рассеиваемой мощности;
4. номинал резистора затвора.

Если выбрать режим «User Defined Module Parameters» (параметры модуля, определяемые пользователем), то появится дополнительное меню, состоящее из трех окон:

• Gate charge per module (заряд затвора модуля в мкКл);
• Collector — Emitter Voltage (напряжение «коллектор — эмиттер»);
• Number of switch per module (количество ключей в модуле: 1- одиночный ключ, 2- полумост, 6- 3-фазный мост, 7- 3-фазный мост с тормозным чоппером).

Для корректной работы DriverSel, требуется указать два значения заряда затвора: для напряжения открывания транзистора +15 В и напряжения запирания -8 В.

Величина резистора затвора RG необходима для вычисления пикового тока управления. На основании полученных данных программа будет выбирать драйвер с соответствующим значением предельного тока. Если номиналы резисторов для режимов включения и выключения RGon/RGoff различаются, то нужно использовать минимальное значение. Если величина резистора неизвестна, можно задать величину 10 Ом, при этом необходимо учесть, что рекомендуемое минимальное значение RGmin будет показано в результатах расчетов.

Введя требуемые данные, Вы получите в результате рекомендации «Suggestion for SEMIKRON IGBT driver» в виде, представленном в нижней части рисунка 2:

• Number of Drivers- необходимое для данного модуля количество схем управления (например, три полумостовых драйвера для 3-фазного модуля);
• IoutPEAK- пиковое значение выходного тока драйвера, определяемое по формуле IoutPEAK= VGE/RG;
• IoutAVmax, RGmin, VS- справочные значения среднего тока, минимального резистора затвора и напряжения питания для драйвера данного типа.

Программа выдает замечание «A suitable driver could not be found», если для заданных условий корректно выбрать устройство управления невозможно. Это может быть в случае, если суммарный заряд затвора оказывается недопустимо большим (большое количество параллельно соединенных модулей), слишком велика частота коммутации или указанный резистор затвора меньше минимально возможного значения.

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 транзисторы – что это такое, принцип работы, схема управления

Когда ключ закрыт, на слой n подается напряжение. Когда управляющее напряжение подается на изолированный затвор, область p формирует открытый канал, включая полевой транзистор, который, в свою очередь, открывает биполярный p-n-p элемент. Ток начинает протекать между внешним коллектором и эмиттером. В то же время ток стока ячейки возбуждения усиливается. Когда биполярный элемент открыт, остаточное напряжение в n-области еще больше падает из-за потока электронов и дырок.

IGBT транзисторы

Полупроводниковый переключатель является одним из наиболее важных компонентов в силовой электронике. Они составляют основу практически всех бестрансформаторных преобразователей тока и напряжения, инверторов и частотных преобразователей.

Полупроводниковый переключатель является одним из наиболее важных компонентов в силовой электронике. Они являются основой практически всех бестрансформаторных преобразователей тока и напряжения, инверторов и частотных преобразователей.

Использование электронных переключателей позволяет упростить схему преобразователя, значительно уменьшить размеры устройств и улучшить технические параметры.

Основные свойства полупроводниковых переключателей:

• Управление током или напряжением.
• Номинальное напряжение и ток канала питания.
• Сопротивление канала.
• Допустимая частота переключения.
• Статические и динамические потери.

В преобразовательных системах используются двухсторонние тиристоры с управляющими электродами (GTO и IGCT), силовые биполярные транзисторы (BP) и полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Первые силовые электронные устройства были основаны на тиристорах и биполярных транзисторах. Первые, при всех их преимуществах, не могут обеспечить необходимую скорость реакции, управляемые тиристоры используются в среднечастотном диапазоне.

Применение биполярных транзисторов существенно ограничено низким коэффициентом передачи тока, значительным температурным изменением этого параметра, управлением переменным напряжением и низкой плотностью тока в цепи питания.

Схемы с биполярными транзисторами должны включать дополнительные схемы для обеспечения контроля и защиты полупроводниковых компонентов. Это значительно повышает стоимость преобразователей и усложняет их производство.

Основными полупроводниковыми элементами, используемыми в настоящее время в силовой электронике, являются полевые транзисторы (MOSFETs), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBTs).

MOSFET в основном используются в высокочастотных низковольтных преобразователях, IGBT – в мощных высоковольтных цепях.

Общая схема переключения довольно сложна, поскольку изменяется подвижность носителей заряда, коэффициенты передачи тока p-n-p и n-p-n транзисторов, присутствующих в структуре, изменяются сопротивления областей и т.д. Хотя в принципе IGBT могут использоваться в линейном режиме, они все же чаще всего применяются в режиме переключения.

IGBT транзисторы

Биполярные транзисторы с изолированным затвором – это новый тип активных приборов, появившийся сравнительно недавно. Их входные характеристики похожи на полевые транзисторы, а выходные – на биполярные транзисторы.

В литературе это устройство называют IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором). По скорости работы они значительно превосходят биполярные транзисторы. IGBT чаще всего используются в качестве мощных переключателей с временем включения 0,2-0,4 мкс и временем выключения 0,2-1,5 мкс, напряжением коммутации до 3,5 кВ и током до 1200 А.

IGBT заменяют тиристоры в высоковольтных системах преобразования частоты и позволяют создавать импульсные вторичные источники питания с качественно лучшими характеристиками. IGBT достаточно широко используются в инверторах управления двигателями и в системах аварийного питания при высоких нагрузках, с напряжением более 1 кВ и токами в сотни ампер. Это в определенной степени является следствием того, что в включенном состоянии при токах порядка сотен ампер падение напряжения на транзисторе находится в диапазоне от 1,5 В до 3,5 В.

Как видно из конструкции транзистора IGBT (рис. 1), это довольно сложное устройство, в котором p-n-р транзистор управляется n-канальным МОП-транзистором.

Коллектор IGBT-транзистора (рис. 2,a) является эмиттером транзистора VT4. При подаче положительного напряжения на затвор транзистора VT1 образуется электропроводящий канал. Через этот канал эмиттер IGBT (коллектор транзистора VT4) соединен с базой транзистора VT4.

В результате он полностью открывается, и падение напряжения между коллектором IGBT и его эмиттером становится равным эмиттерному переходу VT4, суммируется с падением напряжения Uci на VT1.

Поскольку падение напряжения на p-n-переходе уменьшается с ростом температуры, падение напряжения на открытом IGBT в определенном диапазоне токов имеет отрицательный температурный коэффициент, который становится положительным при больших токах. Поэтому падение напряжения на транзисторе IGBT не опускается ниже порогового напряжения диода (эмиттерный переход VT4).

Рисунок 2. Эквивалентная схема IGBT транзистора (а) и его обозначение в отечественной (б) и зарубежной литературе (в)

По мере увеличения напряжения, подаваемого на IGBT-транзистор, ток канала, определяющий ток базы транзистора VT4, увеличивается, а падение напряжения на IGBT-транзисторе уменьшается.

Когда транзистор VT1 заперт, ток транзистора VT4 становится небольшим, что позволяет считать его запертым. Дополнительные слои вводятся для устранения режимов работы, характерных для тиристоров при лавинном пробое. Буферный слой с n+ и широкая базовая область с n- обеспечивают пониженный коэффициент усиления по току для p-n-p транзистора.

Общая схема включения и выключения довольно сложна, поскольку изменяется подвижность носителей заряда, коэффициенты передачи тока p-n-p и n-p-n транзисторов, присутствующих в структуре, изменяется сопротивление области и т.д. Хотя в принципе IGBT могут использоваться для линейной работы, до сих пор они применялись в основном в ключевом режиме.

В этом случае изменения напряжения на коммутируемом переключателе характеризуются кривыми, показанными на рисунке 3.

Рисунок 4: Эквивалентная схема IGBT транзистора (a) и его вольт-амперная характеристика (b)

Испытания показали, что время включения и выключения большинства IGBT не превышает 0,5-1,0 мкс. Чтобы уменьшить количество дополнительных внешних компонентов, IGBT-транзисторы комплектуются диодами или модулями, состоящими из нескольких компонентов (рис. 5, a-d).

Рисунок 5: IGBT-транзисторные модули: a – MTKID; b – MTKI; c – M2TKI; d – MDTKI

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

Профессор Л.А.Потапов, д.ф.н.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ссылкой на нее в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Диапазон применения – токи от нескольких десятков А до 1200 А, напряжения от нескольких сотен вольт до 10 кВ. В диапазоне токов до десятков А и напряжений до 500 В вместо IGBT следует использовать обычные MOSFET, поскольку полевые транзисторы имеют более низкий импеданс при низких напряжениях.

Приложения

Основными областями применения IGBT являются инверторы, импульсные регуляторы тока и частотно-регулируемые приводы.

IGBT широко используются в источниках сварочного тока, в приложениях с высоковольтным приводом, включая городской электротранспорт.

Использование IGBT-модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорами) добиться высокого КПД, высокой плавности работы машины и возможности рекуперативного торможения практически на любой скорости.

IGBT используются при высоких напряжениях (более 1000 В), высоких температурах (более 100°C) и высокой выходной мощности (более 5 кВт). IGBT используются в схемах управления двигателями (на рабочих частотах ниже 20 кГц), источниках бесперебойного питания (постоянная нагрузка и низкая частота) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота до 50 кГц).

IGBT и MOSFET занимают диапазон средней мощности и частоты, с некоторым “перекрытием”. В целом, MOSFET наиболее подходят для высокочастотных и низковольтных каскадов, а IGBT – для мощных каскадов.

В некоторых случаях IGBT и MOSFET полностью взаимозаменяемы, а назначение выводов и характеристики управляющих сигналов у обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12-15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения. Но “управляемый напряжением” не означает, что схема управления не нуждается в источнике тока. Драйвер затвора IGBT или MOSFET для схемы управления представляет собой конденсатор с величиной емкости до тысяч пикофарад (для мощных устройств). Драйвер затвора должен “знать”, как быстро заряжать и разряжать эту емкость, чтобы гарантировать быстрое переключение транзистора.

IGBT-транзисторы делятся на четыре группы в зависимости от скорости переключения, как показано в таблице IGBT.1 :

Модуль Igbt что это такое

IGBT-транзистор является гибридным устройством

IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) – это полупроводниковый прибор для переключения мощности, представляющий собой интегрированную структуру, состоящую из входного полевого транзистора и силового биполярного транзистора. Они используются в 99,999% приложений в качестве ключевых устройств. По своим электрическим свойствам они представляют собой “грейпфрут” полевого транзистора с изолированным затвором и биполярного транзистора. IGBT управляются напряжением, как полевые транзисторы; когда они включены, они имеют некоторое напряжение насыщения коллектор-эмиттер; относительно медленное выключение (“токовый хвост” как наследие биполярных транзисторов). Подробности о внутренней структуре IGBT-транзисторов можно найти в [Энциклопедия полевых транзисторов. Дьяконов В.П. и др. СОЛОН-ПРЕСС. 2002. 512 с.]. Первые эффективные полевые транзисторы были разработаны в СССР.

Почти все выпускаемые IGBT являются n-канальными транзисторами. Теоретически, не существует существующих p-канальных IGBT транзисторов из-за отсутствия рыночного спроса.

Основными преимуществами IGBT являются

– Высокая мощность переключения;

– Высокие рабочие напряжения;

– Устойчивость к токовым перегрузкам;

– Низкие контрольные мощности.

Области применения IGBT транзисторов:

– В импульсных преобразователях мощности и инверторах (свыше 1 кВт);

– В системах индукционного нагрева;

– В системах управления двигателями (частотно-регулируемые приводы).

Поэтому IGBT-транзисторы используются только в качестве ключевых компонентов.

Во многих случаях IGBT содержат встроенный высокоскоростной диод обратной связи.

Идентификация и внутренняя конструкция IGBT-транзистора

Условная и эквивалентная упрощенная внутренняя структура IGBT и реальная эквивалентная схема показаны на следующем рисунке.

Рисунок IGBT.1 – Идентификация и эквивалентная упрощенная внутренняя структура IGBT транзистора и реальная эквивалентная схема.

В некоторых типах IGBT встроен отдельный быстрый обратный диод.

Основные параметры IGBT-транзистора следующие

Ниже приведены основные параметры IGBT-транзистора, указанные в технических описаниях.

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (напряжение коллектор-эмиттер или напряжение пробоя коллектор-эмиттер) В_CES – Максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. 2.

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер V_CE(on) – Падение напряжения между коллектором и эмиттером в открытом состоянии. При заданном токе коллектора и температуре.

3. Максимальное напряжение между затвором и излучателем В_GE – Максимальное управляющее напряжение от затвора к эмиттеру. Если это напряжение превышено, может произойти повреждение диэлектрика затвора и выход транзистора из строя.

4 Максимальный непрерывный ток коллектора I_C – Максимальное значение тока коллектора, протекающего непрерывно. Фактически, для IGBT-транзисторов ток сильно зависит от температуры корпуса транзистора, и рабочий ток приведен для двух значений температуры – 25° C и 100° C.

5. Максимальный импульсный ток коллектора I_CM – Максимальное значение импульсного тока коллектора. Зависит от коэффициента заполнения, условий теплоотдачи. Обычно ограничивается рассеиванием энергии через кристалл. 6.

Пороговое напряжение затвора V_GE(th) – Напряжение на затворе, при котором транзистор начинает переходить в состояние проводимости.

7. температурный коэффициент напряжения пробоя ∆V_(BR)CES/∆T_J – Коэффициент, определяющий максимальное напряжение коллектор-эмиттер, уменьшается с ростом температуры.

8. температураКоэффициент снижения порогового напряжения ∆V_GE(th)/∆TJ – коэффициент, показывающий снижение порогового напряжения затвора с ростом температуры.

9.Нулевое напряжение затвора Коллекторный ток I_CES – Ток утечки через коллекторный переход, когда транзистор выключен.

10.Падение напряжения на прямом диоде V_FM – Фронтальное падение напряжения на диоде быстрой обратной связи, встроенном в транзистор.

Энергия лавины одиночного импульса E_AS – Максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения. 12.

Максимальная рассеиваемая мощность P_D – Максимальная тепловая мощность, которая может быть рассеяна от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

13) Диапазон рабочих температур – диапазон температур, в котором может работать транзистор.

14. Тепловое сопротивление между транзистором и воздухом R_{θJA .} (Junction-to-Ambient) – максимальное тепловое сопротивление транзистора по отношению к воздуху (при условии свободной конвективной теплопередачи).

Тепловое сопротивление кристалла транзистора относительно корпуса транзистора (Junction-to-Case – IGBT) R_θJC – максимальное термическое сопротивление перехода кристалла транзистора к корпусу транзистора.

16. Тепловое сопротивление транзистора с переходом от перехода к корпусу (Переход от стыка к корпусу – диод) R_θJC– максимальное тепловое сопротивление кристалла диода-транзистора между спаем и корпусом.

17. ток утечки между затвором и эмиттером I_GES – Ток затвора при определенном (обычно максимальном) напряжении между затвором и истоком.

18. Общий сбор за проход Q._g – общий заряд затвора, необходимый для перевода транзистора в состояние проводимости. 19.

19. Заряд затвора – эмиттера (заряд затвора – эмиттера) Q_ge – Заряд емкости затвор – эмиттер.

20. заряд затвора – коллектора (Gate – Collector Charge) Q_gc – Емкостной заряд коллектора затвора.

21. Время задержки включения t_d(on) – Время, необходимое транзистору для накопления заряда затвора, после чего транзистор начинает открываться.

22. Время нарастания – время, необходимое для увеличения коллекторного тока транзистора с 10% до 90%.

23. время задержки выключения t_d(off) – Время, в течение которого заряд затвора становится меньше заряда включения и транзистор начинает закрываться.

24. Время спада – время спада коллекторного тока транзистора с 10% до 90%.

25. Коммутационные потери транзистора во включенном состоянии E._{на стр.} – Энергия, рассеиваемая в кристалле во время переходного процесса переключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении на затворе и токе коллектора.

26. Коммутационные потери при выключении транзистора E._{за пределами} – Энергия, рассеиваемая в интегральной схеме во время переходного процесса переключения при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении на затворе и токе коллектора.

27. общие коммутационные потери E_ц– Общие потери на переключение в цикле включения-выключения транзистора для заданного напряжения коллектор-эмиттер, напряжения на затворе и тока коллектора.

28. Максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток (dv/dt ruggedness) – максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток, при которой транзистор еще не находится в проводящем состоянии. 29.

29 Внутренняя индуктивность эмиттера L._E – Паразитная индуктивность эмиттерного конца транзистора.

30. максимальная пиковая скорость поглощения регенерации диода (di_(rec)M/dt) – максимальная скорость спада тока интегрального диода при переходе его в непроводящее состояние из-за смены полярности.

31 Непрерывный ток диода исток-сток I_S – Максимальное значение непрерывного прямого тока, протекающего через паразитный p-n диод.

32. импульсный прямой ток диода I_SM – Максимальное значение постоянного прямого тока, протекающего через паразитный p-n диод.

33. напряжение на корпусе диода (напряжение на корпусе диода) V_SD – Прямое падение напряжения на диоде. При заданной температуре и токе источника.

34. Время обратной регенерации корпусного диода t_rr – время восстановления обратной проводимости паразитного диода.

35. обратный заряд диода корпуса (обратный заряд) Q_rr – Заряд, необходимый для восстановления обратной проводимости корпусного диода.

36. время включения (t_{на стр.} – Время перехода диода в состояние проводимости. Обычно не имеет значения.

37. входная емкость (Input Capacitance) C – Сумма емкостей затвор-коллектор и затвор-эмиттер (при заданном напряжении коллектор-эмиттер).

Выходная емкость C_oes – Сумма емкостей затвор-коллектор и коллектор-эмиттер (при определенном напряжении коллектор-эмиттер).

Емкость обратной передачи C_res – Емкость затвор-коллектор.

Паразитная емкость IGBT-транзистора

Паразитная емкость IGBT (рис. IGBT.2) является причиной снижения производительности IGBT.

Рисунок IGBT.2 – Паразитная емкость в IGBT транзисторе

Классификация IGBT по скорости переключения

IGBT транзисторы классифицируются на четыре группы в соответствии с их скоростью переключения, как показано в таблице IGBT.1:

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

Чем выше частота модуляции, тем точнее воспроизводится синусоида, но чем выше потери на переключение, тем больше нагревается радиатор модуля и тем больше возникает радиочастотных помех. Чем ниже частота модуляции, тем проще работа модуля IGBT, но тем больше гармоник тока в цепи питания и его реактивной мощности. Поэтому пользователь может выбирать частоту модуляции ШИМ в диапазоне 2…16 кГц (у разных моделей частотных регуляторов разные диапазоны) дискретно с шагом в несколько ступеней.

IGBT-модули

Поскольку IGBT, как правило, очень редко используются в единственном исполнении, разработчики начали задумываться о модульных вариантах их схем. Модульные конструктивно намного проще и компактнее для использования в изделиях. Но не только это.

Очень важной функцией IGBT-модулей является то, что они могут увеличивать мощность преобразователей частоты, инверторов без больших материальных затрат!

Преобразователь частоты малой мощности с расширенными функциями управления стоит гораздо дешевле, чем преобразователь частоты большой мощности. Эффективный модуль IGBT стоит недешево, но эффективный модуль IGBT и недорогой, но “умный” преобразователь частоты могут обойтись в несколько раз дешевле. Потребителям (и производителям) есть о чем подумать.

Однако это потребует вмешательства квалифицированных инженеров, поскольку инверторы придется подключать заново, так как не все модели допускают такое расширение: для таких подключений нет никаких выходов, и в руководстве по эксплуатации ничего нет, кроме, возможно, запрета на вмешательство в цепи инвертора со стороны потребителей и отказа от ответственности в таких случаях. Помимо технической стороны дела, существует также возможная юридическая сторона: возможное нарушение патентов, лицензий и т.д. Это также следует иметь в виду.

Рисунок 1: Структура IGBT различных технологий

Заключение

В этой статье описаны и систематизированы достижения компании Infineon. Однако не следует забывать, что они образуют комплексное решение, элементы которого нельзя рассматривать по отдельности. Нет смысла использовать технологию .XT в модулях с низкотемпературными кристаллами (если вы не хотите обеспечить их долговечность) или использовать транзисторы пятого поколения с более толстыми медными эмиттерами в качестве отдельных устройств в стандартных корпусах.

В любом случае, цель, поставленная Infineon, достигнута, и разработчикам мощных транзисторов есть чему поучиться и что освоить. Новые цели, технологии и рекорды, похоже, не за горами, поскольку технологии преобразования энергии все еще находятся на ранних стадиях раскрытия своего потенциала.

IGBT транзистор

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют 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 – это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.

Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.

Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.

Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.

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 варьироваться 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). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

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

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 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.

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 (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.

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

IGBT-модули.

IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого "частотника") для управления трёхфазным двигателем.

IGBT модуль

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

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 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.