IGBT транзисторы

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.

Содержание

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.

Читайте далее: