Что такое игбт транзистор
IGBT транзистор
Биполярный транзистор с изолированным затвором
В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.
Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
История появления БТИЗ.
Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.
Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.
Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.
Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.
Условное обозначение БТИЗ (IGBT)
На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.
Особенности и сферы применения БТИЗ.
Отличительные качества IGBT:
Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
Имеют низкие потери в открытом состоянии;
Могут работать при температуре более 100°C;
Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.
Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.
Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.
IGBT-модули.
IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого «частотника») для управления трёхфазным двигателем.
IGBT модуль
Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).
Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.
Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.
Транзисторы IGBT
Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи.
Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи.
Применение электронных ключей позволяет упростить схему преобразователей, значительно уменьшить габариты устройств, улучшить технические характеристики.
Основные характеристики полупроводниковых коммутаторов:
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).
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.
Применение биполярных транзисторов существенно ограничивает невысокий коэффициент передачи тока, значительный температурный разброс этого параметра, управление знакопеременным напряжением, невысокая плотность тока силовой цепи.
В схемы с биполярными транзисторами приходится включать дополнительные цепи, обеспечивающие управление и защиту полупроводниковых элементов. Это существенно увеличивает стоимость преобразователей и усложняет их производство.
Основные полупроводниковые элементы силовой электроники сейчас – полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
MOSFET-транзисторы применяются в основном в высокочастотных низковольтных преобразователях, область применения IGBT – мощные высоковольтные схемы.
Конструкция и принцип работы силовых транзисторов
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. Объединение полупроводниковых элементов реализовано структурой элементных ячеек в одном кристалле.
Упрощенная эквивалентная схема биполярных транзисторов с изолированным затвором представлена на рисунке:
IGBT – приборы появились после того, как были выявлены недостатки MOSFET транзисторов в высоковольтных схемах: квадратичная зависимость сопротивления канала от напряжения.
Полупроводниковые приборы IGBT сочетают достоинства силовых биполярных и полевых транзисторов с изолированным затвором:
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.
Структура IGBT представлена на рисунке. В области стока нанесен еще один дополнительный p+-слой, который образует биполярный транзистор.
При закрытом ключе, напряжение приложено к n–-слою. 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. Между внешним коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока полевой ячейки усиливается. При открытой биполярной ячейке, остаточное напряжение в n–-области падает еще благодаря потокам электронов и дырок.
Напряжение на включенном транзисторе определяется из выражения:
Где Uбэ – напряжение база-эмиттер открытого ключа, Rпол – сопротивление полевой ячейки, Iб – ток базы, Iк – ток коллектора, B – коэффициент передачи тока биполярной ячейки. Для снижения падения напряжения на открытых IGBT приборах применяют вертикальные затворы. Площадь ячейки транзистора уменьшают в 2-5 раз.
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.
Как и биполярные транзисторы, IGBT способны накапливать заряд, который является причиной остаточного тока и нагрева прибора при запирании. Между электродами и переходами полевой и биполярной элементной ячейки образуются паразитные емкости. Время рассасывания заряда для IGBT прибора составляет всего 0,2-1,5 мкс, при коммутации с частотой 10-20 кГц для надежной работы транзисторов не нужно включать в схему дополнительные цепи.
Потери в транзисторах
Различают 3 типа потерь мощности на транзисторах: статические, динамические, в цепи управления.
Первые обусловлены токами утечки в запертом состоянии, сопротивлением полупроводникового кристалла. Статические потери рассчитывают по формуле:
где U(0) – падение напряжения, Iср и Irms – средний и среднеквадратичный ток соответственно.
Динамические потери возникают при открывании и запирании транзистора. Они определяются по графику и зависят от частоты коммутаций, температуры, напряжения на коллекторе, тока в момент переключения.
Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь.
В области частот 10-20 кГц потери мощности на IGBT-транзисторах малы и не вызывают сильного нагрева, который приводит к тепловому пробою.
Модули IGBT
Для снижения количества внешних элементов выпускают модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты.
Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей.
Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для одного транзистора, можно подключать модули параллельно.
В этом случае выбирают транзисторы IGBT с одинаковым пороговым напряжением во включенном состоянии. Разница в параметрах приводит к несимметричному току на транзисторах. При параллельном включении также учитывают увеличившуюся входную емкость, драйвер управления должен обеспечить заданную скорость коммутации.
Выбор модулей IGBT
Транзисторные модули выбирают по нескольким основным характеристикам:
Для выбора полупроводниковых модулей IGBT для преобразователей рекомендует следующий алгоритм:
Значение температуры выбирают с запасом. 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.
Управление модулями IGBT
Модули IGBT управляются драйверами. Микросхемы вырабатывают управляющие импульсы, обеспечивают коммутацию ключей в нужном частотном диапазоне, согласовывают работу полупроводниковых устройств с блоком управления.
При выборе драйверов для модулей, производители рекомендуют руководствоваться следующими рекомендациями:
Длительность импульсов напряжения выхода драйвера должна быть меньше времени коммутации транзисторов в 5-10 раз.
Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь. Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей.
Напряжение запирания должно обеспечивать гарантированное отключение IGBT при любых условиях.
Для уменьшения помех необходимо подключать драйвер к модулю витой парой или устанавливать плату на контакты управления модулем.
Схема электропитания организовывается следующим образом: вначале напряжение подается на драйвер, затем на модуль.
Для предотвращения эффекта «защелкивания» паразитной p-n-p-n структуры, образуемой модулем и выходным каскадом микросхемы управления, исток биполярной ячейки, общий выход драйвера и отрицательную клемму сглаживающего фильтра присоединяют на общую шину.
Защита и охлаждение IGBT
Для ограничения перенапряжений при переключении транзисторов используют RC- и RCD-фильтры, включаемые в силовую цепь.
Для снижения больших перенапряжений при переключениях используют настройки драйвера: напряжение на выходе управляющего устройства должно снижаться меньше, чем в обычных условиях работы модуля и выключение электронных ключей в 2 этапа. На первом в цепь затвор-эмиттер включается резистор, затем, при достижении номинального значения тока коллектора, модуль резко отключается.
Для снижения выравнивающих токов в цепи эмиттера ставят резистор номиналом до 0,1 от эквивалентного сопротивления транзистора.
При большой разнице в задержке переключения, применяют индуктивности для равномерного распределения тока в транзисторах. Их параметры рассчитывают по формуле:
Где U – напряжение на шине, ∆I – отклонение от среднего значения тока, Dt – разность времени переключения.
Для борьбы с токами короткого замыкания в цепь «затвор – эмиттер» включают защиту.
Это предотвратит увеличение напряжения при резком скачке тока и выход полупроводникового устройства из режима насыщения.
При транспортировке, монтаже и эксплуатации IGBT должна учитываться чувствительность модулей к статическим зарядам. Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на 10-20 кОм. При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа. Работы по установке необходимо проводить в антистатических браслетах. Инструменты и измерительные приборы также необходимо заземлить.
При разработке преобразователей на базе IGBT модулей требуется предусмотреть эффективное охлаждение. Для теплового расчета применяется эквивалентная схема устройства:
Расчет осуществляется по формуле:
где РП – мощность потерь полупроводникового прибора, Rt h( р ) – тепловое сопротивление проводящего материала.
Монтаж модулей IGBT
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.
Перед монтажом нужно убедиться, что на поверхностях нет твердых частиц, а также обезжирить подложку и радиатор любым неагрессивным к материалам компонентов растворителем.
Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений. Характеристики материала должны сохраняться при любой температуре эксплуатации на протяжении всего срока службы. Рекомендованный запас по температуре – 10%. Перед нанесением пасты контактные поверхности охладителя и подложки обезжиривают безворсовой тканью, смоченной в растворителе. Толщину слоя пасты регулируют специальным гребешком. При нанесении теплопроводящего материала избегают его попадания на радиатор и в гнезда для резьбовых соединений.
Крепление силовых моделей осуществляют в следующем порядке:
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.
При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки.
Заключение
Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором обладают:
Полупроводниковые устройства могут применяться при напряжении 10 кВ и коммутации токов до 1200 А. На базе IGBT производят частотные преобразователи для электроприводов, бестрансформаторные конверторы и инверторы, сварочное оборудование, регуляторы тока для мощных приводов.
В области частот 10-20 кГц ключи на транзисторах GBT значительно превосходят устройства на полупроводниковых приборах других типов.
Транзистор IGBT-принцип работы, структура, основные характеристики
Силовой транзистор IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод-«затвор», который изолирован от силовой цепи. Полное название прибора: биполярный транзистор с изолированным затвором.
Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.
Рис. №1. Эффективность использования технологий на основе мощных IGBT-транзисторов
Преобладающее значение приобрело его использование в цепях силового предназначения для частотных преобразователей, для двигателей переменного тока, мощность, которых может доходить до 1 МВт. По своим вольтамперным характеристикам он считается аналогом биполярному транзистору, однако качественные энергетические показатели и чистота коммутационных действий намного выше, чем качество работы других полупроводниковых элементов.
Постоянно совершенствующиеся технологии позволяют улучшить качественные характеристики транзисторов. Созданы элементы, рассчитанные на большую величину напряжения, выше 3 кВ и большие значения тока до нескольких сотен ампер.
Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов
Для применения в конструкции регуляторов скорости используются транзисторы, рассчитанные на рабочие частоты в пределах до нескольких десятков килогерц.
Преимущества IGBT транзисторов
При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока. Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.
Структура IGBT
Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.
Рис. №2. Структура транзистора IGBT.
Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.
Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.
Применение IGBT-транзистора
Одной из важных сфер использования солового транзистора – это использование в сетях с напряжением 6,5 кВ для создания безопасной и гарантированно надежной работы электроустановок в режиме короткого замыкания.
Для ограничения токов к. з. и приближению их к величине, которая не приведет к повреждениям оборудования. Они выполняют ограничение напряжения на затворе до уровня, не превышающем U = 15,3В. Это достигается с помощью применения следующих мер:
Примеры расчета IGBT-транзистора
Выбор транзистора производится по следующим условиям, например, для преобразователей напряжения с резонансным контуром.
Для подбора драйвера IGBT транзистора руководствуются параметрами управления затвора, необходимого для коммутирования отпиранием и запиранием силового полупроводника. Для определения мощности управления нужно знать величину заряда затвора Q gate, частоту коммутации (fin) и реальный замеренный размах напряжения на выходе драйвера ΔVgate
Формула заряда затвора: 
где время интегрирования должно не превышать время на управление выходных напряжений драйвера до их окончательных показателей, или при достижении выходного токового значения драйвера близкого к нулю.
Выбор максимальной величины тока управления затвором определяется по упрощенной формуле:
Зависит от осцилляции величины тока на выходе. Если осцилляция тока управления затвором есть, то значение пикового тока должно быть очень большим, а его величина должна определяться исключительно с помощью измерения.
Не менее важны условия учета размаха выходного напряжения. Наихудший случай – это максимальное значение размаха на затворе, измеряется по реально существующей схеме.
Необходим учет максимальной рабочей температуры, руководствуются значением характерным для условия естественной конверсии без использования принудительного охлаждения.
Максимальная частота коммутации, она должна быть максимально-допустимая. На выбор оказывает влияние результирующая выходная мощность и рассеиваемая мощность резистора, используемого в цепи затвора.
Максимальный ток управления зависит от величины пикового тока, который может протекать через реальный контур управления затвором без появления осцилляций.
Проверка мощных IGBT-транзисторов
Проверка силового транзистора возникает при необходимости ревизии сгоревшего транзистора, например, при ремонте сгоревшего сварочного аппарата или с целью подбора пары для устройства, с тем, чтобы убедится, что это не «перемаркер». Проверку осуществляем с помощью мультиметра: прозваниваем вывода коллектора и эмиттера в обоих направлениях, так мы убедимся в отсутствии короткого замыкания. Входную емкость затвор-эмиттер заряжаем отрицательным напряжением. Осуществляется с помощью кратковременного и одновременного прикосновения щупом «СОМ» мультиметра затвора и щупом от гнезда «V/Ω/f» — эмиттера.
Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.
Для проверки необходимо убедиться в рабочей функциональности транзистора. Заряжаем емкость на входе затвор-эмитер положительным напряжением. Это можно сделать, коротко прикоснувшись щупом мультиметра «V/Ω/f» — затвора, к щупу«СОМ» — эмиттера. Проверяем напряжение между коллектором и змиттером, оно должно быть не больше 1,5В, меньшая величина напряжения характерна для низковольтных транзисторов. Если напряжения мультиметра не хватает для открытия и проверки транзистора, входная емкость может заряжаться от источника постоянного напряжения со значением до 15 в.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.