IGBT yra pagrindiniai šiuolaikinės galios elektronikos komponentai

IGBT tranzistorius (trumpas angliškai izoliuotų vartų bipolinis tranzistorius) arba izoliuotas vartų bipolinis tranzistorius (sutrumpintai IGBT) yra trijų galų puslaidininkinis įtaisas, jungiantis galios bipolinį tranzistorių ir lauko efekto tranzistorių, valdantį jį viename korpuse.

Šiandien IGBT tranzistoriai yra pagrindiniai galios elektronikos komponentai (galingi keitikliai, perjungimo maitinimo šaltiniai, dažnio keitikliai ir kt.), Kur jie tarnauja kaip galingi elektroniniai jungikliai, perjungiantys sroves dažniais, matuojamais dešimtimis ir šimtais kilohercų. Šio tipo tranzistoriai gaminami tiek atskirų komponentų, tiek specializuotų galios modulių (mazgų) pavidalu, skirti valdyti trifazes grandines.

Tai, kad IGBT tranzistoriuje yra dviejų tipų tranzistoriai iš karto (kaskadiniai), leidžia sujungti dviejų technologijų pranašumus viename puslaidininkiniame įrenginyje.

Bipolinis tranzistorius, kaip galios tranzistorius, leidžia gauti didesnę darbinę įtampą, o kanalo varža atviroje būsenoje yra proporcinga pirmojo laipsnio srovei, o ne srovės kvadratui, kaip įprasti lauko efekto tranzistoriai. O tai, kad kaip lauko tranzistorius naudojamas lauko efekto tranzistorius, iki minimumo sumažina energijos suvartojimą raktui valdyti.

Elektrodų pavadinimai apibūdina IGBT tranzistoriaus struktūrą: valdymo elektrodas vadinamas vartais (kaip lauko efekto tranzistorius), o galios kanalo elektrodai vadinami kolektoriumi ir emiteriu (kaip ir bipolinis tranzistorius).

Šiek tiek istorijos

Istoriškai bipoliniai tranzistoriai buvo naudojami vienodomis sąlygomis. su tiristoriais kaip galingi elektroniniai raktai iki 90-ųjų. Bet bipolinių tranzistorių trūkumai visada buvo akivaizdūs: didelė bazinė srovė, lėtas kristalo išjungimas ir perkaitimas, stipri pagrindinių parametrų priklausomybė nuo temperatūros ir ribota kolektoriaus-emiterio soties įtampa.

Vėliau atsiradę lauko efekto tranzistoriai (MOS struktūros) iš karto pakeitė situaciją į gerąją pusę: įtampos valdymui nebereikia tokių didelių srovių, jungiklio parametrai silpnai priklauso nuo temperatūros, tranzistoriaus darbinė įtampa nėra ribojama iš apačios, mažas galios kanalo pasipriešinimas atviroje būsenoje praplečia darbinių srovių diapazoną, perjungimo dažnis gali lengvai pasiekti šimtus kilohercų, be to, pastebimas lauko efekto tranzistorių gebėjimas atlaikyti stiprias dinamines apkrovas esant aukštai darbinei įtampai.

Kadangi lauko efekto tranzistoriaus valdymas yra daug paprastesnis ir galingesnis nei bipolinio, jo viduje yra ribojamasis. diodas, - lauko efekto tranzistoriai iš karto išpopuliarėjo aukšto dažnio perjungimo įtampos keitikliuose, taip pat D klasės akustiniuose stiprintuvuose.

Vladimiras Dyakonovas

Pirmąjį galios lauko tranzistorių sukūrė Viktoras Bachurinas dar Sovietų Sąjungoje 1973 m., Po to jis buvo ištirtas prižiūrint mokslininkui Vladimirui Dyakonovui. Dyakonovo grupės tyrimai, susiję su galios lauko efekto tranzistoriaus pagrindinėmis savybėmis, 1977 m. Sukūrė kompozicinį tranzistoriaus jungiklį, kurio viduje bipolinis tranzistorius buvo valdomas lauko efekto jungikliu su izoliuotais vartais.

Mokslininkai parodė šio požiūrio veiksmingumą, kai maitinimo bloko dabartines savybes nustato bipolinis tranzistorius, o valdymo parametrus nustato laukas. Be to, pašalinamas bipolinio tranzistoriaus įsotinimas, o tai reiškia, kad vėlavimas išjungus yra sumažinamas. Tai yra svarbus bet kurio maitinimo rakto pranašumas.

Sovietų mokslininkai gavo autoriaus teisių pažymėjimą Nr. 757051 „Pobistor“ už naujo tipo puslaidininkinius įtaisus. Tai buvo pirmoji konstrukcija, kurioje viename korpuse buvo galingas bipolinis tranzistorius, ant kurio viršaus buvo valdymo lauko efekto tranzistorius su izoliuotais vartais.

Kalbant apie pramoninį įgyvendinimą, jau 1983 m. „Intarnational Rectifier“ užpatentavo pirmąjį IGBT tranzistorių. Ir po dvejų metų buvo sukurtas IGBT tranzistorius su plokščia struktūra ir aukštesne darbine įtampa. Tai buvo padaryta vienu metu dviejų įmonių - „General Electric“ ir RCA - laboratorijose.

Pirmosios izoliuotų vartų bipolinių tranzistorių versijos turėjo vieną esminį trūkumą - lėtą perjungimą. Pavadinimas IGBT buvo priimtas devintajame dešimtmetyje, kai buvo sukurti antrosios ir trečiosios kartos IGBT tranzistoriai. Tuomet šių trūkumų nebeliko.

Skiriamieji IGBT pranašumai

Palyginti su įprastais lauko efekto tranzistoriais, IGBT turi didesnę įėjimo varžą ir mažesnę galią, kuri išleidžiama vartų valdymui.

Skirtingai nuo bipolinių tranzistorių, įjungus jį, lieka žemesnė įtampa. Net ir esant didelei darbinei įtampai ir srovei, nuostoliai atviroje būsenoje yra gana maži. Šiuo atveju laidumas yra panašus į bipolinio tranzistoriaus, o raktą kontroliuoja įtampa.

Plačiausiai prieinamų modelių darbinės įtampos kolektoriaus-emiterio diapazonas svyruoja nuo dešimčių voltų iki 1200 ar daugiau voltų, o srovės gali siekti iki 1000 ir daugiau amperų. Yra agregatai šimtams ir tūkstančiams voltų, kurių įtampa ir srovės yra šimtai amperų.

Manoma, kad lauko efekto tranzistoriai yra geriau pritaikyti veikiant iki 500 voltų įtampai, o IGBT tranzistoriai yra tinkami didesnėms nei 500 voltų įtampoms ir didesnėms nei 10 amperų srovėms, nes esant žemesnei įtampai, ypač svarbus yra mažesnis kanalo atsparumas atviroje būsenoje.

IGBT tranzistoriai

Pagrindinis IGBT tranzistorių pritaikymas yra inverteriuose, perjungimo įtampos keitikliuose ir dažnio keitikliuose (pavyzdžiui, pusiau tilto modulyje SKM 300GB063D, 400A, 600V) - ten, kur yra aukšta įtampa ir didelė galia.

Suvirinimo keitikliai - atskira svarbi IGBT tranzistorių taikymo sritis: didelė srovė, galia didesnė kaip 5 kW ir dažniai iki 50 kHz (IRG4PC50UD - žanro klasika, 27A, 600V, iki 40 kHz).

IGBT negalima atsisakyti atliekant elektrinį miesto transportą: naudojant tiristorius, traukos variklių efektyvumas yra mažesnis nei naudojant IGBT, be to, IGBT pasiekia sklandesnį važiavimą ir gerą derinimą su regeneracinėmis stabdžių sistemomis net dideliu greičiu.

Nėra nieko geriau už IGBT, kai reikia perjungti esant aukštai įtampai (daugiau nei 1000 V) arba valdyti kintamo dažnio pavarą (dažnius iki 20 kHz).

Kai kuriose grandinėse IGBT ir MOSFET tranzistoriai yra visiškai keičiami, nes jų pajungimas yra panašus, o valdymo principai yra vienodi. Vartai tokiu ir kitu atveju reiškia iki nanofaradų vienetų, turintį įkrovą sulaikančią įkrovą, kurią bet kurioje tokioje grandinėje įmontuotas vairuotojas gali lengvai valdyti ir tinkamai valdyti.

Taip pat žiūrėkite:Galingi MOSFET ir IGBT tranzistoriai, jų taikymo skirtumai ir ypatybės