Tranzistory IGBT - hlavné komponenty modernej výkonovej elektroniky

Tranzistor IGBT (skratka pre anglický bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom) alebo izolovaný bipolárny tranzistor (skratka IGBT) je trojkoncové polovodičové zariadenie, ktoré kombinuje výkonový bipolárny tranzistor a tranzistor s poľným efektom, ktorý ich ovláda vo vnútri jedného krytu.

Tranzistory IGBT sú dnes hlavnými komponentmi výkonovej elektroniky (výkonné meniče, spínané zdroje energie, frekvenčné meniče atď.), Kde slúžia ako výkonné elektronické spínače, ktoré prepínajú prúdy pri frekvenciách meraných v desiatkach a stovkách kilometrov. Tranzistory tohto typu sa vyrábajú vo forme samostatných komponentov, ako aj vo forme špecializovaných výkonových modulov (zostáv) na riadenie trojfázových obvodov.

Skutočnosť, že tranzistor IGBT obsahuje tranzistory dvoch typov naraz (v kaskáde), vám umožňuje kombinovať výhody dvoch technológií vo vnútri jedného polovodičového zariadenia.

Bipolárny tranzistor ako výkonový tranzistor vám umožňuje získať väčšie prevádzkové napätie, zatiaľ čo odpor kanála v otvorenom stave je úmerný prúdu v prvom stupni a nie štvorcu prúdu ako konvenčné tranzistory s poľným efektom, Skutočnosť, že sa jedná o tranzistor s efektom poľa, ktorý sa používa ako riadiaci tranzistor, minimalizuje spotrebu energie pri riadení pomocou kľúča.

Názvy elektród charakterizujú štruktúru IGBT tranzistora: riadiaca elektróda sa nazýva hradlo (ako tranzistor s efektom poľa) a elektródy výkonového kanála sa nazývajú kolektor a emitor (ako bipolárny tranzistor).

Trocha histórie

Historicky sa bipolárne tranzistory používali na rovnakom základe. s tyristormi ako výkonné elektronické kľúče do 90. rokov. Nevýhody bipolárnych tranzistorov však boli vždy zrejmé: veľký základný prúd, pomalé blokovanie a prehrievanie kryštálu, silná teplotná závislosť hlavných parametrov a obmedzené saturačné napätie kolektor-emitor.

Tranzistory s poľným efektom (štruktúry MOS), ktoré sa objavili neskôr, okamžite zmenili situáciu k lepšiemu: riadenie napätia už nevyžaduje také veľké prúdy, parametre prepínača sú slabo závislé od teploty, prevádzkové napätie tranzistora nie je obmedzené zdola, nízky odpor výkonového kanála v otvorenom stave rozširuje rozsah prevádzkových prúdov, Frekvencia spínania môže ľahko dosiahnuť stovky kilometrov, okrem toho je pozoruhodná schopnosť tranzistorov s efektom poľa vydržať silné dynamické zaťaženie pri vysokých prevádzkových napätiach.

Pretože riadenie tranzistora s poľným efektom je implementované omnoho ľahšie a ukázalo sa, že z hľadiska výkonu je omnoho ľahšie ako bipolárne, a okrem toho vo vnútri je obmedzujúci dióda- tranzistory s poľným efektom si okamžite získali popularitu vo vysokofrekvenčných spínacích napäťových konvertoroch, ako aj v akustických zosilňovačoch triedy D.

Vladimír Dyakonov

Prvý tranzistorový efektový tranzistor vyvinul Viktor Bachurin späť v Sovietskom zväze v roku 1973, po ktorom bol vyšetrovaný pod dohľadom vedca Vladimíra Dyakonova. Vyšetrovania skupiny Dyakonov týkajúce sa kľúčových vlastností tranzistora výkonového poľa s efektom viedli v roku 1977 k vývoju zloženého tranzistorového spínača, v rámci ktorého bol bipolárny tranzistor riadený spínačom s efektívnym poľom s izolovanou bránou.

Vedci preukázali účinnosť tohto prístupu, keď sú súčasné vlastnosti výkonovej jednotky stanovené bipolárnym tranzistorom a kontrolné parametre sú určené poľným. Ďalej je eliminovaná saturácia bipolárneho tranzistora, čo znamená, že oneskorenie pri vypnutí je znížené. Toto je dôležitá výhoda akéhokoľvek vypínača.

Na polovodičovom zariadení nového typu získali sovietski vedci autorské osvedčenie č. 757051 „Pobistor“. Jednalo sa o prvú štruktúru obsahujúcu výkonný bipolárny tranzistor v jednom puzdre, nad ktorým bol tranzistor riadiaceho poľa s izolovanou bránou.

Pokiaľ ide o priemyselnú implementáciu, Intarnational Rectifier už v roku 1983 patentoval prvý tranzistor IGBT. O dva roky neskôr bol vyvinutý tranzistor IGBT s plochou štruktúrou a vyšším prevádzkovým napätím. Urobilo sa to súčasne v laboratóriách dvoch spoločností - General Electric a RCA.

Prvé verzie bipolárnych tranzistorov s izolovanými hradlami mali jednu hlavnú nevýhodu - pomalé prepínanie. Názov IGBT bol prijatý v 90-tych rokoch, keď boli vytvorené druhé a tretie generácie tranzistorov IGBT. Potom boli tieto nedostatky odstránené.

Charakteristické výhody IGBT

V porovnaní s konvenčnými tranzistormi s poľným efektom majú IGBT vyššiu vstupnú impedanciu a nižší výkon, ktorý sa vynakladá na riadenie brány.

Na rozdiel od bipolárnych tranzistorov, keď je zapnuté, existuje menšie zvyškové napätie. Straty v otvorenom stave, dokonca aj pri vysokých prevádzkových napätiach a prúdoch, sú pomerne malé. V tomto prípade je vodivosť podobná vodivosti bipolárneho tranzistora a kľúč je riadený napätím.

Rozsah prevádzkového kolektora-emitora prevádzkového napätia pre najbežnejšie dostupné modely sa pohybuje od desiatok voltov do 1200 alebo viac voltov, zatiaľ čo prúdy môžu dosiahnuť až 1000 alebo viac ampérov. Existujú zostavy pre stovky a tisíce voltov a prúdy stoviek ampérov.

Predpokladá sa, že tranzistory s efektom poľa sú vhodnejšie pre prevádzkové napätie do 500 voltov a tranzistory IGBT sú vhodné pre napätie väčšie ako 500 voltov a prúdy väčšie ako 10 ampérov, pretože nižší odpor kanála v otvorenom stave je pri nižšom napätí mimoriadne dôležitý.

Tranzistory IGBT

Hlavné použitie IGBT sa nachádza v invertoroch, spínacích meničoch napätia a frekvenčných meničoch (napríklad polo mostíkový modul SKM 300GB063D, 400A, 600V) - kde je vysoké napätie a významný výkon.

Zváracie invertory - samostatná dôležitá oblasť použitia tranzistorov IGBT: vysoký prúd, výkon viac ako 5 kW a frekvencie do 50 kHz (IRG4PC50UD - klasika žánru 27A, 600V, až 40 kHz).

V mestskej elektrickej doprave sa nemožno vyhnúť IGBT: u tyristorov majú trakčné motory nižšiu účinnosť ako pri IGBT, IGBT navyše dosahuje plynulejšiu jazdu a dobrú kombináciu s regeneratívnymi brzdovými systémami aj pri vysokých rýchlostiach.

Nie je nič lepšie ako IGBT, keď potrebujete prepnúť na vysoké napätie (viac ako 1 000 V) alebo ovládať frekvenčný menič (frekvencie do 20 kHz).

Na niektorých obvodoch sú tranzistory IGBT a MOSFET úplne vzájomne zameniteľné, pretože ich zapojenie je podobné a princípy riadenia sú rovnaké. Brány v tomto a v inom prípade predstavujú kapacitu až do nanofaradových jednotiek, s dobíjaním, pri ktorom je vodič, ktorý je nainštalovaný v akomkoľvek takomto okruhu, ľahko zvládnuteľný a poskytuje primeranú kontrolu.

Pozri tiež:Napájajte tranzistory MOSFET a IGBT, rozdiely a vlastnosti ich aplikácie