IGBT's zijn de belangrijkste componenten van moderne vermogenselektronica

Een IGBT-transistor (afkorting voor Engelse bipolaire transistor met geïsoleerde poort) of een bipolaire transistor met geïsoleerde poort (afgekort IGBT) is een drie-terminal halfgeleiderapparaat dat een power bipolaire transistor combineert met een veldeffecttransistor die deze regelt in een behuizing.

IGBT-transistoren zijn tegenwoordig de belangrijkste componenten van vermogenselektronica (krachtige omvormers, schakelende voedingen, frequentieomvormers, enz.), Waar ze dienen als krachtige elektronische schakelaars die stromen schakelen bij frequenties gemeten in tientallen en honderden kilohertz. Dit soort transistoren worden zowel in de vorm van afzonderlijke componenten als in de vorm van gespecialiseerde vermogensmodules (assemblages) voor het besturen van driefasige circuits geproduceerd.

Het feit dat de IGBT-transistor twee transistors tegelijk (in cascade) bevat, stelt u in staat om de voordelen van twee technologieën in één halfgeleiderapparaat te combineren.

Met een bipolaire transistor als vermogenstransistor kunt u een grotere bedrijfsspanning krijgen, terwijl de kanaalweerstand in de open toestand evenredig is met de stroom in de eerste graad en niet met het kwadraat van de stroom als conventionele veldeffecttransistors. En het feit dat het de veldeffecttransistor is die wordt gebruikt als de regeltransistor, vermindert het stroomverbruik voor sleutelbesturing tot een minimum.

De namen van de elektroden karakteriseren de structuur van de IGBT-transistor: de stuurelektrode wordt de poort genoemd (zoals een veldeffecttransistor) en de elektroden van het vermogenskanaal worden de collector en emitter genoemd (zoals een bipolaire transistor).

Een beetje geschiedenis

Historisch gezien zijn bipolaire transistoren op gelijke voet gebruikt. met thyristoren als krachtige elektronische sleutels tot de jaren 90. Maar de nadelen van bipolaire transistoren waren altijd duidelijk: een grote basisstroom, langzame uitschakeling en oververhitting van het kristal, een sterke temperatuurafhankelijkheid van de belangrijkste parameters en een beperkte verzadigingsspanning van de collector-emitter.

De veldeffecttransistors (MOS-structuren) die later verschenen, veranderden onmiddellijk de situatie ten goede: spanningsregeling vereist niet langer zulke grote stromen, de parameters van de schakelaar zijn zwak afhankelijk van de temperatuur, de bedrijfsspanning van de transistor is niet beperkt van onderen, de lage weerstand van het vermogenskanaal in de open toestand vergroot het bereik van de bedrijfsstromen, de schakelfrequentie kan gemakkelijk honderden kilohertz bereiken, bovendien is het vermogen van veldeffecttransistors om sterke dynamische belastingen bij hoge bedrijfsspanningen te weerstaan ​​opmerkelijk.

Aangezien de besturing van een veldeffecttransistor veel eenvoudiger en krachtiger is dan een bipolaire, is er een beperkende binnen. diode, - veldeffecttransistoren werden onmiddellijk populair in hoogfrequente schakelspanningomzetters, evenals in klasse D akoestische versterkers.

Vladimir Dyakonov

De eerste power field effect transistor werd ontwikkeld door Viktor Bachurin in 1973 in de Sovjet-Unie, waarna het werd onderzocht onder toezicht van wetenschapper Vladimir Dyakonov. Onderzoek van de Dyakonov-groep met betrekking tot de sleuteleigenschappen van een vermogensveld-effect-transistor leidde in 1977 tot de ontwikkeling van een composiet-transistorschakelaar, waarin een bipolaire transistor werd bestuurd door een veld-effectschakelaar met een geïsoleerde poort.

Wetenschappers hebben de effectiviteit van deze benadering aangetoond, wanneer de huidige eigenschappen van de voedingseenheid worden bepaald door een bipolaire transistor en de besturingsparameters worden bepaald door de veld-een. Bovendien wordt de verzadiging van de bipolaire transistor geëlimineerd, wat betekent dat de vertraging wanneer uitgeschakeld wordt verminderd. Dit is een belangrijk voordeel van elke aan / uit-toets.

Sovjetwetenschappers hebben het auteursrechtcertificaat nr. 757051 "Pobistor" verkregen voor een nieuw type halfgeleiderapparaat. Dit was de eerste structuur die een krachtige bipolaire transistor in één behuizing bevatte, met daarop een controleveldeffecttransistor met een geïsoleerde poort.

Wat de industriële implementatie betreft, patenteerde Intarnational Rectifier al in 1983 de eerste IGBT-transistor. En twee jaar later werd een IGBT-transistor met een platte structuur en een hogere bedrijfsspanning ontwikkeld. Dit gebeurde tegelijkertijd in de laboratoria van twee bedrijven - General Electric en RCA.

De eerste versies van bipolaire transistors met geïsoleerde poort hadden een belangrijk nadeel: langzaam schakelen. De naam IGBT werd aangenomen in de jaren 90, toen de tweede en derde generatie IGBT-transistors werden gecreëerd. Toen waren deze tekortkomingen verdwenen.

Onderscheidende voordelen van IGBT's

In vergelijking met conventionele veldeffecttransistors hebben IGBT's een hogere ingangsimpedantie en een lager vermogen dat wordt besteed aan poortbesturing.

In tegenstelling tot bipolaire transistoren is er een lagere restspanning wanneer ingeschakeld. Verliezen in de open toestand, zelfs bij hoge bedrijfsspanningen en stromen, zijn vrij klein. In dit geval is de geleidbaarheid vergelijkbaar met die van een bipolaire transistor en wordt de sleutel bestuurd door spanning.

Het bereik van bedrijfsspanningcollector-emitter voor de meeste modellen varieert van tientallen volt tot 1200 of meer volt, terwijl stromen tot 1000 of meer ampère kunnen bereiken. Er zijn assemblages voor honderden en duizenden volt in spanning en stromen van honderden ampères.

Er wordt aangenomen dat veldeffecttransistoren beter geschikt zijn voor bedrijfsspanningen tot 500 volt, en IGBT-transistoren zijn geschikt voor spanningen van meer dan 500 volt en stromen van meer dan 10 ampère, aangezien lagere kanaalweerstand in de open toestand uiterst belangrijk is bij lagere spanningen.

IGBT-transistors

De belangrijkste toepassing van IGBT-transistors is te vinden in omvormers, schakelspanningsomvormers en frequentieomvormers (bijvoorbeeld de halfbrugmodule SKM 300GB063D, 400A, 600V) - waar sprake is van hoogspanning en aanzienlijk vermogen.

Lassen van omvormers - een apart belangrijk toepassingsgebied van IGBT-transistoren: hoge stroom, vermogen meer dan 5 kW en frequenties tot 50 kHz (IRG4PC50UD - klassieker van het genre, 27A, 600V, tot 40 kHz).

Van IGBT kan niet worden afgezien in stedelijk elektrisch vervoer: met thyristors vertonen tractiemotoren een lager rendement dan met IGBT, bovendien bereikt IGBT een soepelere rit en een goede combinatie met regeneratieve remsystemen, zelfs bij hoge snelheden.

Er is niets beter dan IGBT wanneer u moet schakelen op hoge spanningen (meer dan 1000 V) of een frequentieomvormer moet besturen (frequenties tot 20 kHz).

Op sommige circuits zijn IGBT- en MOSFET-transistoren volledig uitwisselbaar, omdat hun pinout vergelijkbaar is en de besturingsprincipes identiek zijn. De poorten in dit en in het andere geval vertegenwoordigen een capaciteit van maximaal nanofarad-eenheden, met een lading-vasthoudende herladen waarop de op een dergelijk circuit geïnstalleerde driver gemakkelijk kan omgaan en voldoende controle biedt.

Zie ook:Power MOSFET en IGBT-transistors, verschillen en functies van hun toepassing