Az IGBT-k a modern teljesítmény-elektronika fő alkotóelemei

Az IGBT tranzisztor (rövidítés az angol Szigetelt kapu bipoláris tranzisztorra) vagy a szigetelt kapu bipoláris tranzisztor (rövidítve IGBT) egy három terminálú félvezető eszköz, amely ötvözi a teljesítmény bipoláris tranzisztort és a mezőhatású tranzisztort, amely azt egy házban vezérli.

Az IGBT tranzisztorok manapság a teljesítmény-elektronika fő alkotóelemei (nagy teljesítményű frekvenciaváltók, kapcsoló tápegységek, frekvenciaváltók stb.), Ahol erőteljes elektronikus kapcsolókként szolgálnak, amelyek áramot váltják át tíz és száz kilohertzben mért frekvencián. Az ilyen típusú tranzisztorokat különálló alkatrészek formájában, valamint a háromfázisú áramkörök vezérlésére szolgáló speciális energiamodulok (szerelvények) formájában állítják elő.

Az a tény, hogy az IGBT tranzisztor kétféle tranzisztort tartalmaz egyszerre (egy kaszkádáramkörbe tartozik), lehetővé teszi két technológia előnyeinek kombinálását egy félvezető eszközön belül.

A bipoláris tranzisztor, mint teljesítménytranzisztor lehetővé teszi nagyobb működési feszültség elérését, miközben a csatornaellenállás nyitott állapotban arányos az első fokú árammal, és nem az áram négyzetével, mint hagyományos terepi tranzisztorok. És az a tény, hogy a vezérlő tranzisztorként a mezőhatású tranzisztorot használják, minimálisra csökkenti a kulcsvezérlés energiafogyasztását.

Az elektródok nevei jellemzik az IGBT tranzisztor szerkezetét: a vezérlőelektródot kapunak nevezzük (mint egy mezőhatású tranzisztor), az erőcsatorna elektródáit pedig kollektornak és emitternek (mint egy bipoláris tranzisztornak) nevezzük.

Egy kis történelem

A bipoláris tranzisztorokat történelmileg azonos alapon alkalmazták. tirisztorokkal elektromos kulcsként a 90-es évekig. A bipoláris tranzisztorok hátrányai azonban mindig nyilvánvalóak voltak: nagy bázisáram, a kristály lassú leállása és túlmelegedése, a fő paraméterek erős hőmérsékleti függősége és korlátozott kollektor-emitter telítési feszültség.

A később megjelenő terepi hatású tranzisztorok (MOS struktúrák) azonnal jobban megváltoztatják a helyzetet: a feszültségvezérléshez már nem szükséges ilyen nagy áram, a kapcsoló paraméterei gyengén függnek a hőmérséklettől, a tranzisztor üzemi feszültségét alulról nem korlátozzák, az erőcsatorna alacsony ellenállása nyitott állapotban meghosszabbítja az üzemi áramok tartományát, a kapcsolási frekvencia könnyen elérheti a több száz kilohertz értéket, emellett figyelemre méltó a terepi tranzisztorok képessége ellenállni az erős dinamikus terheléseknek nagy üzemi feszültségek mellett.

Mivel a terepi tranzisztor vezérlése sokkal egyszerűbb és erősebb, mint a bipoláris, ezért van benne egy korlátozó is. dióda, - a terepi tranzisztorok azonnal népszerűvé váltak a nagyfrekvenciás kapcsolófeszültség-átalakítókban, valamint a D osztályú akusztikus erősítőkben.

Vladimir Dyakonov

Az első erőtér-tranzisztorot Viktor Bachurin fejlesztette ki a Szovjetunióban 1973-ban, ezt követően pedig Vladimir Dyakonov tudós felügyelete alatt vizsgálták. A Dyakonov csoport vizsgálata az erőátviteli tranzisztor kulcsfontosságú tulajdonságaival kapcsolatban 1977-ben készített egy kompozit tranzisztor kapcsolót, amelyen belül a bipoláris tranzisztort egy szigetelt kapuval rendelkező mezőhatású kapcsoló vezérli.

A tudósok megmutatták ennek a megközelítésnek a hatékonyságát, amikor a tápegység aktuális tulajdonságait bipoláris tranzisztor határozza meg, és a vezérlési paramétereket a mezõ határozza meg. Ezenkívül kiküszöbölésre kerül a bipoláris tranzisztor telítettsége, ami azt jelenti, hogy a késleltetés kikapcsoláskor csökken. Ez minden bekapcsoló kulcs fontos előnye.

A szovjet tudósok megszerezték a 757051 számú "Pobistor" szerzői jogi igazolást egy új típusú félvezető eszközhöz. Ez volt az első szerkezet, amely egy házban erős bipoláris tranzisztorral rendelkezik, amelynek tetején egy szigetelt kapuval rendelkező vezérlőtér-hatású tranzisztor volt.

Ami az ipari megvalósítást illeti, az Intarnational Rectifier már 1983-ban szabadalmaztatta az első IGBT tranzisztort. Két évvel később kifejlesztettek egy lapos felépítésű és magasabb üzemi feszültségű IGBT tranzisztort. Ezt egyidejűleg végezték két vállalat - a General Electric és az RCA - laboratóriumaiban.

A szigetelt kapu bipoláris tranzisztorok első verzióinak egyik fő hátránya - a lassú kapcsolás. Az IGBT nevet a 90-es években fogadták el, amikor létrehozták az IGBT tranzisztorok második és harmadik generációját. Aztán ezek a hiányosságok megszűntek.

Az IGBT megkülönböztető előnyei

A hagyományos terepi tranzisztorokkal összehasonlítva az IGBT-k nagyobb bemeneti impedanciájúak és alacsonyabb teljesítményt igényelnek a kapu vezérlésére.

A bipoláris tranzisztoroktól eltérően bekapcsolt állapotban alacsonyabb a maradék feszültség. Nyitott állapotban a veszteségek, még magas üzemi feszültség és áram esetén is, nagyon kicsik. Ebben az esetben a vezetőképesség olyan, mint egy bipoláris tranzisztoré, és a kulcsot feszültség vezérli.

A legszélesebb körben elérhető modellek üzemi feszültség-kollektor-kibocsátója a tízes feszültségektől a 1200 vagy annál nagyobb feszültségig terjedhet, míg az áramok akár 1000 vagy több ampert is elérhetnek. Több száz és ezer volt feszültség- és áramerősség-összetevők vannak, amik több száz amperben vannak.

Úgy gondolják, hogy a mezőhatású tranzisztorok jobban alkalmazhatók 500 V-ig terjedő feszültségre, és az IGBT tranzisztorok 500 V-ot meghaladó feszültségekre és 10 A-nál nagyobb áramokra alkalmazhatók, mivel az alacsonyabb feszültségeknél rendkívül fontos az alacsony csatornaellenállás nyitott állapotban.

IGBT tranzisztorok

Az IGBT tranzisztorok fő alkalmazása az inverterekben, a kapcsolófeszültség-átalakítókban és a frekvenciaváltókban található (például az SKM 300GB063D, 400A, 600V félig híd modul) - ahol nagy feszültség és jelentős teljesítmény van.

Hegesztő inverterek - Az IGBT tranzisztorok külön fontos alkalmazási területe: nagy áram, 5 kW-nál nagyobb teljesítmény és frekvencia 50 kHz-ig (IRG4PC50UD - a műfaj klasszikusa, 27A, 600V, legfeljebb 40 kHz).

Az IGBT-vel nem lehet elhagyni a városi villamos közlekedésben: tirisztoroknál a vonómotorok alacsonyabb hatékonyságúak, mint az IGBT-nél, ráadásul az IGBT egyenletesebb utazást és jó kombinációt biztosít a regeneratív fékrendszerekkel, még nagy sebességnél is.

Semmi sem jobb, mint az IGBT, ha nagy feszültségen (több mint 1000 V) kell váltani vagy változtatható frekvenciájú meghajtót (legfeljebb 20 kHz frekvenciát) vezérlnie.

Bizonyos áramköröknél az IGBT és a MOSFET tranzisztorok teljesen cserélhetők, mivel pinoutuk hasonló, és a vezérlés alapelvei azonosak. A kapuk ebben és a másik esetben akár nanofarad egységnyi kapacitást képviselnek, olyan töltést tartó újratöltéssel, amelyen az ilyen áramkörre felszerelt meghajtó könnyen kezelheti, és megfelelő irányítást biztosít.

Lásd még:Teljesítményű MOSFET és IGBT tranzisztorok, alkalmazásuk különbségei és jellemzői