Tranzystory IGBT - główne elementy nowoczesnej elektroniki energetycznej

Tranzystor IGBT (skrót od angielskiego tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką) lub tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (w skrócie IGBT) to trzy terminalne urządzenie półprzewodnikowe, które łączy tranzystor bipolarny mocy i tranzystor polowy sterujący nim w jednej obudowie.

Tranzystory IGBT są dziś głównymi elementami elektroniki mocy (potężne falowniki, zasilacze impulsowe, przetworniki częstotliwości itp.), Gdzie służą jako potężne przełączniki elektroniczne, które przełączają prądy na częstotliwościach mierzonych w dziesiątkach i setkach kiloherców. Tranzystory tego typu są wytwarzane zarówno w postaci oddzielnych komponentów, jak i w postaci specjalistycznych modułów mocy (zespołów) do sterowania obwodami trójfazowymi.

Fakt, że tranzystor IGBT zawiera tranzystory dwóch typów jednocześnie (kaskadowo), pozwala łączyć zalety dwóch technologii w jednym urządzeniu półprzewodnikowym.

Tranzystor bipolarny jako tranzystor mocy pozwala uzyskać większe napięcie robocze, podczas gdy rezystancja kanału w stanie otwartym jest proporcjonalna do prądu w pierwszym stopniu, a nie do kwadratu prądu jako konwencjonalne tranzystory polowe. A fakt, że jako tranzystor sterujący stosowany jest tranzystor polowy, zmniejsza zużycie energii do kluczowego sterowania do minimum.

Nazwy elektrod charakteryzują strukturę tranzystora IGBT: elektroda kontrolna nazywana jest bramką (podobnie jak tranzystor polowy), a elektrody kanału mocy nazywane są kolektorem i emiterem (jak tranzystor bipolarny).

Trochę historii

Historycznie tranzystory bipolarne były używane na równi. z tyrystorami jako klucze elektroniczne mocy do lat 90. Jednak wady tranzystorów bipolarnych były zawsze oczywiste: duży prąd podstawowy, powolne wyłączanie i przegrzewanie się kryształu, silna zależność głównych parametrów od temperatury i ograniczone napięcie nasycenia kolektor-emiter.

Tranzystory polowe (struktury MOS), które pojawiły się później, natychmiast zmieniły sytuację na lepszą: kontrola napięcia nie wymaga już tak dużych prądów, parametry przełącznika są słabo zależne od temperatury, napięcie robocze tranzystora nie jest ograniczone od dołu, niska rezystancja kanału mocy w stanie otwartym rozszerza zakres prądów roboczych, częstotliwość przełączania może z łatwością osiągnąć setki kiloherców, ponadto na uwagę zasługuje zdolność tranzystorów polowych do wytrzymywania dużych obciążeń dynamicznych przy wysokich napięciach roboczych.

Ponieważ kontrola tranzystora polowego jest znacznie prostsza i mocniejsza niż bipolarna, wewnątrz jest restrykcyjny. dioda, - tranzystory polowe natychmiast zyskały popularność w przetwornicach napięciowych o wysokiej częstotliwości, a także we wzmacniaczach akustycznych klasy D.

Vladimir Dyakonov

Pierwszy tranzystor polowy mocy został opracowany przez Viktora Bachurina w Związku Radzieckim w 1973 roku, po czym został zbadany pod nadzorem naukowca Vladimira Dyakonova. Badania grupy Dyakonowa dotyczące kluczowych właściwości tranzystora polowego doprowadziły do ​​opracowania w 1977 r. Kompozytowego przełącznika tranzystorowego, w którym tranzystor bipolarny był sterowany przełącznikiem polowym z izolowaną bramką.

Naukowcy wykazali skuteczność tego podejścia, gdy bieżące właściwości jednostki mocy są określane przez tranzystor bipolarny, a parametry kontrolne są określane przez parametr polowy. Co więcej, nasycenie tranzystora bipolarnego jest wyeliminowane, co oznacza, że ​​opóźnienie po wyłączeniu jest zmniejszone. Jest to ważna zaleta każdego klawisza zasilania.

Radzieccy naukowcy uzyskali certyfikat praw autorskich nr 757051 „Pobistor” na nowy typ urządzenia półprzewodnikowego. Była to pierwsza konstrukcja zawierająca potężny tranzystor bipolarny w jednej obudowie, na szczycie której znajdował się tranzystor polowy z izolowaną bramką.

Co do wdrożenia przemysłowego, już w 1983 roku Intarnational Rectifier opatentował pierwszy tranzystor IGBT. A dwa lata później opracowano tranzystor IGBT o płaskiej strukturze i wyższym napięciu roboczym. Dokonano tego jednocześnie w laboratoriach dwóch firm - General Electric i RCA.

Pierwsze wersje tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką miały jedną główną wadę - powolne przełączanie. Nazwa IGBT została przyjęta w latach 90., kiedy powstały tranzystory IGBT drugiej i trzeciej generacji. Potem te wady zniknęły.

Charakterystyczne zalety IGBT

W porównaniu z konwencjonalnymi tranzystorami polowymi tranzystory IGBT mają wyższą impedancję wejściową i niższą moc, która jest zużywana na sterowanie bramką.

W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych, napięcie włączenia jest niższe. Straty w stanie otwartym, nawet przy wysokich napięciach i prądach roboczych, są dość małe. W tym przypadku przewodnictwo jest podobne do przewodnictwa tranzystora bipolarnego, a klucz sterowany jest napięciem.

Zakres roboczego kolektora-emitera napięcia dla większości powszechnie dostępnych modeli waha się od kilkudziesięciu woltów do 1200 lub więcej woltów, podczas gdy prądy mogą dochodzić do 1000 lub więcej amperów. Istnieją zespoły dla setek i tysięcy woltów napięcia i prądu setek amperów.

Uważa się, że tranzystory polowe lepiej nadają się do napięć roboczych do 500 woltów, a tranzystory IGBT są odpowiednie do napięć większych niż 500 woltów i prądów większych niż 10 amperów, ponieważ niższy opór kanału w stanie otwartym jest niezwykle ważny przy niższych napięciach.

Tranzystory IGBT

Główne zastosowanie tranzystorów IGBT znajduje się w przetwornicach, przełączających przetwornicach napięcia i przetwornicach częstotliwości (na przykład moduł półmostkowy SKM 300GB063D, 400A, 600V) - tam, gdzie występuje wysokie napięcie i znaczna moc.

Falowniki spawalnicze - odrębny ważny obszar zastosowania tranzystorów IGBT: wysoki prąd, moc powyżej 5 kW i częstotliwości do 50 kHz (IRG4PC50UD - klasyka tego gatunku, 27A, 600 V, do 40 kHz).

Nie można zrezygnować z IGBT w miejskim transporcie elektrycznym: z tyrystorami silniki trakcyjne wykazują niższą sprawność niż w przypadku IGBT, ponadto IGBT zapewnia płynniejszą jazdę i dobre połączenie z układami hamowania regeneracyjnego nawet przy dużych prędkościach.

Nie ma nic lepszego niż IGBT, gdy trzeba przełączać przy wysokich napięciach (ponad 1000 V) lub sterować przemiennikiem częstotliwości (częstotliwości do 20 kHz).

W niektórych obwodach tranzystory IGBT i MOSFET są całkowicie wymienne, ponieważ ich pinout jest podobny, a zasady sterowania są identyczne. Bramki w tym i drugim przypadku reprezentują pojemność do jednostek nanofaradowych, z ładowaniem podtrzymującym ładunek, na którym sterownik zainstalowany w dowolnym takim obwodzie może z łatwością obsługiwać i zapewnia odpowiednią kontrolę.

Zobacz także:Zasilaj tranzystory MOSFET i IGBT, różnice i cechy ich zastosowania