Blog

В некоторых случаях БТИЗ и МОП-транзисторы полностью взаимозаменяемы, цоколёвка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12—15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения, как запираемый тиристор. Но «управляемый напряжением» не означает, что при переключении БТИЗ в цепи затвора отсутствует ток.

ВАХ IGBT транзистора почти идентична кривой передачи биполярного транзистора, но только на ней вместо тока показано Vge, поскольку IGBT является устройством, управляемым напряжением. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно включить и выключить, активировав его затвор. Это то же самое, что и переключение биполярного транзистора и MOSFET. При транспортировке, монтаже и эксплуатации IGBT должна учитываться чувствительность модулей к статическим зарядам.

MOSFET-транзисторы применяются в основном в высокочастотных низковольтных преобразователях, область применения IGBT – мощные высоковольтные схемы.

• В области частот кГц ключи на транзисторах GBT значительно превосходят устройства на полупроводниковых приборах других типов.
• Приведем сравнительную таблицу, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT, силовым биполярным транзистором и силовым MOSFET.
• Первые при всех своих достоинствах не могут обеспечить необходимое быстродействие, управляемые тиристоры используют в среднечастотной области.
• Но в случае IGBT, как и в случае с MOSFET, нам необходимо обеспечить постоянное напряжение на затворе, а насыщение поддерживается в постоянном состоянии.
• Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и обычного биполярного транзистора транзистора , он имеет преимущества как транзисторов, так и MOSFET.
• Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь.
• Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты.
• В левом случае разность напряжений VIN, которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей/VSS, контролирует выходной ток, текущий от коллектора к эмиттеру.
• Это то же самое, что и переключение биполярного транзистора и MOSFET.

Время рассасывания заряда для IGBT прибора составляет всего 0,2-1,5 мкс, при коммутации с частотой кГц для надежной работы транзисторов не нужно включать в схему дополнительные цепи. При подаче на изолированный затвор управляющего напряжения, область р образует открытый канал, включая полевой транзистор, который в свою очередь отпирает биполярный p-n-p элемент. При открытой биполярной ячейке, остаточное напряжение в n–-области падает еще благодаря потокам электронов и дырок. Сопротивление канала IGBT-элементов растет пропорционально току, зависимость потерь от величины тока не квадратичная, как у транзисторов MOSFET. Быстродействие силовых элементов с изолированным затвором превосходит скорость коммутации биполярных транзисторов, но уступает элементам MOSFET.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи. Исходя из этого IGBT приборы (IGBT транзисторы) имеют преимущества перед приборами других типов, тем больше, чем больше рабочее напряжение ипрямой ток.

Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на кОм. При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа. Работы по установке необходимо проводить в антистатических браслетах.

Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменения выходного тока к изменению напряжения на входном затворе . Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и обычного биполярного транзистора транзистора , он имеет преимущества как транзисторов, так и MOSFET. По сути, IGBT — это полупроводник, управляемый напряжением , который обеспечивает большие токи коллектор-эмиттер при почти нулевом токе затвора. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или биполярный силовой транзистор с изолированным затвором – элемент из двух транзисторов в общей полупроводниковой структуре, устроенный по каскадной схеме. Биполярный транзистор образует силовой канал, полевой – канал управления.

igbt модуль

• Первые силовые электронные устройства были выполнены на базе тиристоров и биполярных транзисторов.
• Поэтому IGBT подходит для замены силовых биполярных транзисторов и силовых MOSFET .
• В схемах преобразователей используют двухоперационные тиристоры с управляющими электродами (GTO и IGCT), силовые биполярные (БП) и полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
• Затвор БТИЗ (как и МОП-транзистора) для управляющей схемы эквивалентно является конденсатором с ёмкостью, достигающей единиц нанофарад (для мощных приборов), что определяет импульсный характер тока затвора.
• При большом запасе выбирают IGBT с меньшим номинальным током и заново выполняют расчеты.
• Где РП – мощность потерь полупроводникового прибора, Rt h( р ) – тепловое сопротивление проводящего материала.
• Диапазон использования — от десятков до 1200 ампер по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению.
• В PNP-транзисторе коллектор и эмиттер представляют собой путь проводимости, и когда IGBT включен через него проходит ток.
• В случае биполярного транзистора мы рассчитываем коэффициент усиления, обозначаемый как Бета (β), путем деления выходного тока на входной ток.
• Это предотвратит увеличение напряжения при резком скачке тока и выход полупроводникового устройства из режима насыщения.

Выпускаются как отдельные приборы БТИЗ, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока. Для эффективного охлаждения полупроводниковых модулей необходимо подготовить поверхность радиатора и обеспечить плотное прилегание подложки прибора к охладителю. Шероховатость поверхностей должна быть не более 10 мкм, отклонение от параллельности –меньше 20 мкм на расстоянии до 10 см. Для борьбы с токами короткого замыкания в цепь «затвор – эмиттер» включают защиту. Для ограничения перенапряжений при переключении транзисторов используют RC- и RCD-фильтры, включаемые в силовую цепь.

• Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на кОм.
• Основные полупроводниковые элементы силовой электроники сейчас – полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
• Исходя из этого IGBT приборы (IGBT транзисторы) имеют преимущества перед приборами других типов, тем больше, чем больше рабочее напряжение ипрямой ток.
• При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа.
• Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей.
• На базе IGBT производят частотные преобразователи для электроприводов, бестрансформаторные конверторы и инверторы, сварочное оборудование, регуляторы тока для мощных приводов.
• Применение биполярных транзисторов существенно ограничивает невысокий коэффициент передачи тока, значительный температурный разброс этого параметра, управление знакопеременным напряжением, невысокая плотность тока силовой цепи.
• В правой схеме ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS .
• Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь.
• При подаче на изолированный затвор управляющего напряжения, область р образует открытый канал, включая полевой транзистор, который в свою очередь отпирает биполярный p-n-p элемент.
• В схемы с биполярными транзисторами приходится включать дополнительные цепи, обеспечивающие управление и защиту полупроводниковых элементов.
• Кроме того, IGBT обеспечивает более низкое сопротивление в открытом состоянии по сравнению с биполярным транзистором, и благодаря этому свойству IGBT является термоэффективным в приложениях, связанных с высокой мощностью.

Основное применение БТИЗ — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы. При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки. Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений.

Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей. Напряжение цепи «коллектор-эмиттер» для снижения динамических потерь и обеспечения стабильной работы транзистора при отпирании ключа должно составлять +15±10% В, при запирании -7…-15 В. Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для одного транзистора, можно подключать модули параллельно. Падение напряжения на открытом IGBT зависит от температуры гораздо меньше аналогичного параметра MOSFET-транзисторов. На рисунке приведен график падения напряжения в функции температуры для 2 IGBT транзисторов и одного полевого прибора.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Это существенно увеличивает стоимость преобразователей и усложняет их производство. На следующем рисунке показана передаточная характеристика IGBT транзистора. IGBT перейдет в состояние «ON» после того, как Vge превысит пороговое значение, зависящее от спецификации IGBT. Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами. Выпускаются как отдельные приборы IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе.

Где РП – мощность потерь полупроводникового прибора, Rt h( р ) – тепловое сопротивление проводящего материала. При превышении расчетного значения допустимой величины, необходим выбор модуля с большим номинальным током. При большом запасе выбирают IGBT с меньшим номинальным током и заново выполняют расчеты. Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей. Для снижения количества внешних элементов выпускают модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты.

Объединение полупроводниковых элементов реализовано структурой элементных ячеек в одном кристалле. Биполярные транзисторы с изолированным затвором находят очень широкое применение в современной электронике. В проводящем или включенном режиме ток течет от коллектора к эмиттеру. Разница между напряжением затвор-эмиттер называется Vge, а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .

На изображении выше показано использование IGBT транзистора для переключения. RL — это резистивная нагрузка, подключенная между эмиттером IGBT и землей. Нагрузка подключается через коллектор, а резистор токовой защиты подключается к эмиттеру. В схемах преобразователей используют двухоперационные тиристоры с управляющими электродами (GTO и IGCT), силовые биполярные (БП) и полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). В случае биполярного транзистора нам необходимо подавать постоянный ток через его базу.

Применение биполярных транзисторов существенно ограничивает невысокий коэффициент передачи тока, значительный температурный разброс этого параметра, управление знакопеременным напряжением, невысокая плотность тока силовой цепи. Первые силовые электронные устройства были выполнены на базе тиристоров и биполярных транзисторов. Первые при всех своих достоинствах не могут обеспечить необходимое быстродействие, управляемые тиристоры используют в среднечастотной области.

Но, как мы знаем, МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета коэффициента усиления биполярных транзисторов, неприменима для технологии MOSFET. Напряжение затвора МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой соотношение изменений выходного напряжения с изменениями входного напряжения.

Приведем сравнительную таблицу, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT, силовым биполярным транзистором и силовым MOSFET. Для затяжки применяют электронные инструменты с небольшой частотой вращения и функцией контроля усилий. Применять пневматику нельзя, такой инструмент недостаточно точен и может создать избыточное усилие затяжки, которое приводит к напряжениям на корпусе прибора и трещинам полупроводникового кристалла. Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь. В правой схеме ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS . БТИЗ широко применяются в инверторных источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе электрическом транспорте (после распространения асинхронных тяговых электродвигателей вместо ТЭД постоянного тока).