Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах -На заметку

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).
Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.

На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения

ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

25.11.2010

Что такое IGBT-транзисторы

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц. Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Владимир Дьяконов

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова.

Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Ранее ЭлектроВести писали, что немецкие инженеры разработали полевой транзистор на основе оксида галлия с пробивным напряжением 1,8 кВ и рекордной добротностью — 155 МВт на квадратный сантиметр. Такие показатели приближают элемент к теоретическому лимиту оксида галлия.

По материалам: electrik.info.

РАЗНИЦА МЕЖДУ IGBT И ТИРИСТОРОМ | СРАВНИТЕ РАЗНИЦУ МЕЖДУ ПОХОЖИМИ ТЕРМИНАМИ — ТЕХНОЛОГИЯ

IGBT против тиристора Тиристор и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — это два типа полупроводниковых устройств с тремя выводами, и оба они используются для управления токами. Оба у

IGBT против тиристора

Тиристор и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — это два типа полупроводниковых устройств с тремя выводами, и оба они используются для управления токами. Оба устройства имеют управляющий терминал, называемый «шлюз», но имеют разные принципы работы.

Тиристор

Тиристор состоит из четырех чередующихся полупроводниковых слоев (в форме P-N-P-N), следовательно, состоит из трех PN-переходов. При анализе это рассматривается как пара тесно связанных транзисторов (один PNP, а другой в конфигурации NPN). Самые внешние полупроводниковые слои P- и N-типа называются анодом и катодом соответственно. Электрод, соединенный с внутренним полупроводниковым слоем P-типа, известен как «затвор».

Во время работы тиристор действует как проводящий, когда на затвор подается импульс. Он имеет три режима работы, известные как «режим обратной блокировки», «режим прямой блокировки» и «режим прямой проводимости». Как только затвор запускается импульсом, тиристор переходит в «режим прямой проводимости» и продолжает проводить до тех пор, пока прямой ток не станет меньше порогового «тока удержания».

Тиристоры — это силовые устройства, и в большинстве случаев они используются в приложениях, где задействованы высокие токи и напряжения. Чаще всего тиристоры используются для управления переменным током.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

IGBT — это полупроводниковое устройство с тремя выводами, известными как «эмиттер», «коллектор» и «затвор». Это тип транзистора, который может обрабатывать большую мощность и имеет более высокую скорость переключения, что делает его высокоэффективным. IGBT был представлен на рынке в 1980-х годах.

IGBT объединяет в себе функции MOSFET и биполярного переходного транзистора (BJT). Он управляется затвором, как MOSFET, и имеет характеристики напряжения тока, как у BJT. Следовательно, он обладает преимуществами как способности выдерживать высокие токи, так и простоты управления. Модули IGBT (состоящие из ряда устройств) выдерживают киловатты мощности.

Вкратце: Разница между IGBT и тиристором 1. Три вывода IGBT известны как эмиттер, коллектор и затвор, тогда как тиристор имеет выводы, известные как анод, катод и затвор. 2. Затвор тиристора нуждается только в импульсе для перехода в проводящий режим, тогда как для IGBT требуется постоянная подача напряжения затвора. 3. IGBT — это тип транзистора, а тиристор при анализе рассматривается как пара транзисторов с сильной связью. 4. IGBT имеет только один PN-переход, а тиристор — их три. 5. Оба устройства используются в приложениях с высокой мощностью.

Что такое IGBT транзистор | Энергофиксик

Здравствуйте уважаемые подписчики и посетители моего канала! Мы продолжаем знакомиться с элементами радиоэлектроники и сегодня нашим героем становится IGBT транзистор, он же Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором (БТИЗ). Давайте узнаем, что это такое, какие слабые и сильные стороны есть у изделия, и где на сегодняшний день он применяется. Итак, начнем.

Транзистор марки STGW45HF60WD

Транзистор марки STGW45HF60WD

Что такое БТИЗ (IGBT)

Итак, БТИЗ — это в некоторой степени уникальный прибор, в котором самым удачным образом соединены полевой и биполярный транзисторы.

Принцип работы изделия заключен в следующем: как только поступает U «+» между затвором и истоком, происходит открытие полевого транзистора, иначе говоря формируется N канал. В результате этого начинается перемещение заряженных частиц из участка N в участок P и это, в свою очередь, заставляет открываться биполярный транзистор и это обеспечивает протекание электрического тока по пути эмиттер-коллектор.

Упрощенная схема БТИЗ транзистора

Упрощенная схема БТИЗ транзистора

Графически транзистор выглядит следующим образом:

Графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором

Графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором

Основные параметры изделия

К основным параметрам таких транзисторов относят:

1. Напряжение управления. Разность потенциалов управляющие работой затвора.

2. Максимально допустимый ток.

3. Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.

4. Ток отсечки эмиттер-коллектор.

5. Напряжение насыщения.

6. Входная и выходная емкости.

7. Индуктивность паразитного плана.

8. Время задержки подключения.

9. Время задержки выключения.

10. Сопротивление внутреннее.

Datasheed STGW45HF60WD

Datasheed STGW45HF60WD

Преимущества и особенности IGBT транзисторов

1. Предельно простая параллельная схема.

2. Минимум потерь.

3. Высокая плотность тока.

4. Повышенная устойчивость к коротким замыканиям.

5. Минимальные потери в открытом состоянии.

6. Сохранение работоспособности при высоких температурах (работает при температуре выше 100 градусов по Цельсию).

7. Работа с высоким напряжением (более 1 кВ) и высокой мощностью (более 5 кВт).

Когда проектируются системы с БТИЗ транзисторами, обязательно учитывают существующие ограничения по максимальному току. И для этих целей используют следующие возможности: точный выбор тока защиты, выбор сопротивления затвора, использование возможных обходных цепочек коммутирования.

БТИЗ транзистор IRGPS46160D

БТИЗ транзистор IRGPS46160D

Область применения

В большинстве случаев IGBT используются в высоковольтных сетях напряжением до 6,5 кВ для стабильного, а самое главное, безопасного функционирования оборудования в нештатном режиме короткого замыкания.

Эти свойства позволяют использовать транзисторы в частотно-регулируемых приводах, инверторах, регуляторах тока импульсного типа и еще в сварочных аппаратах современного типа.

Помимо этого БТИЗ используются в системах приводов управления электровозов, а так же троллейбусов.

Кроме этого биполярные транзисторы с изолированным затвором можно встретить в стиральных машинах, посудомойках, инверторных кондиционерах и т. п.

Компьютерный блок питания

Компьютерный блок питания

Как видите IGBT транзисторы активно используются в современном мире. Если вы хотите узнать каким образом их можно проверить с помощью обычного мультиметра и много другой полезной информации, тогда подпишитесь, поставьте лайк и сделайте репост!

Спасибо, что дочитали до конца!

IGBT транзистор

Электроника IGBT транзистор

просмотров — 270

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) — биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).

Дискретная реализация побистора (от слов полевой и биполярный транзистор) — прибора, сочетающего свойства БТ и ПТИЗ (полевой транзистор с изолированным затвором) была сделана советскими учёными в 1978 ᴦ.

Данный тип приборов IGBT создан за рубежом в начале 1980-х гг, и запатентован International Rectifier в 1983 ᴦ.

Первые IGBT не получили распространения из-за врождённых пороков — медленного переключения и низкой надёжности.

Второе (1990-е гг) и третье (современное) поколения IGBT в целом свободно от этих недостатков.

IGBT сочетает достоинства двух базовых видов транзисторов:

— малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;

— характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;

— управление как у MOSFET – напряжением;

— высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от транзисторов с изолированным затвором;

— низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии — от биполярных транзисторов.

Диапазон использования — от десятков А до 1000 А по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению

IGBT, представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от MOSFET-транзистора с индуцированным каналом.

Структура базовой IGBT- ячейки представлена на рис. 8.3. Она содержит в стоковой области дополнительный p⁺-слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи.

Рис. 8.3 Структуры IGBT транзисторов.

При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обедненной области эпитаксиального n^– -слоя.

При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает (индуцируется, вследствие инверсии слоя) проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора.

Между внешними выводами коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП транзистора оказывается усиленным в (b+1) раз.

При включенном биполярном транзисторе в n^– -область идут встречные потоки носителœей (электронов и дырок, рис. 8.3), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.

Эквивалентная схема IGBT транзистора:

Рис. 8.4 Эквивалентные схемы IGBT транзистора.

УГО IGBT транзистора (рис.8.5).

Рис. 8.5 УГО IGBT

Читайте также

— Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество… [читать подробенее]

— Вольт – амперная характеристика транзисторов

Третьим классификационным признаком транзисторов — пере­ключателей является вид вольт-амперных характеристик (ВАХ). ВАХ бывает двух принципиально различных типов: нормально за­крытого и нормально открытого. Транзисторы различных принци­пов действия и различных… [читать подробенее]

— Транзисторы с p-n переходом.

Полевой транзистор с p-n-переходом (рис. 5.1) имеет три вывода: И, З, С. Рисунок 5.1. Полевой транзистор с p-n-переходом а) – правильно смещенный полевой транзистор с каналом n-типа; б) – условное обозначение полевого транзистора с каналом n-типа; в) – условное обозначение… [читать подробенее]

— Полевой транзистор с управляющим p-n переходом, с изолированным затвором, МДП и МОП-транзисторы.

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Iс. Между затвором и истоком приложено обратное напряжение, запирающее… [читать подробенее]

— Параметры работы полевых транзисторов с р-n-переходом.

К параметрам работы полевых транзисторов относят стоковые (выходные) и стоко-затворные (выходные) характеристики. Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n переходом и каналом n- типа показаны на рис. Рисунок 5.3. ВАХ полевого транзистора с… [читать подробенее]

— Статические характеристики полевого транзистора

Устройство и принцип действия Полевые транзисторы с управляющим р-n- переходом Основные схемы включения полевых транзисторов Полевые транзисторы с изолированным затвором Полевые… [читать подробенее]

— Характеристики польового транзистора з p-n-переходом

Розрізняють вихідні чи стокові і стоко-затворні характеристики польового транзистора. Вихідні характеристики – це залежність ІС=f(UСВ) за умови UЗВ=const, а стоко-затворні характеристики – це залежність ІС=f(UЗВ) за умови UСВ=const. Ці характеристики зображені відповідно на рис…. [читать подробенее]

— Условное графическое изображение полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с каналом n и р-типа.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р — n переходом показаны на (рис. 6). Рис. 6 Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа р, в которой имеется тонкая… [читать подробенее]

— Будова та принцип дії польового транзистора з p-n-переходом

Польовий транзистор з p-n-переходом складається з трьох шарів напівпровідникових матеріалів з почерговим розміщенням шарів з p- і n- провідністю. Середній шар цього приладу називається каналом. Він може бути виконаний з матеріалів, що мають p- або n-провідність. З протилежних… [читать подробенее]

— Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом поясняется рисунком 7.21, на котором показаны условное обозначение транзистора и схема подключения к внешним питающим источникам. Полевой транзистор состоит из пластины с электронной проводимостью n, в которую… [читать подробенее]

Что это — IGBT-транзистор?

Параллельно с изучением свойств полупроводников происходило и совершенствование технологии изготовления приборов на их основе. Постепенно появлялись все новые элементы, с хорошими эксплуатационными характеристиками. Первый IGBT-транзистор появился в 1985 году и сочетал в себе уникальные свойства биполярной и полевой структур. Как оказалось, эти два известных на тот момент типа полупроводниковых приборов вполне могут “уживаться” вместе. Они-то и образовали структуру, которая стала инновационной и постепенно приобрела огромную популярность у разработчиков электронных схем. Сама аббревиатура IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) говорит о создании гибридной схемы на основе биполярного и полевого транзисторов. При этом способность работать с большими токами в силовых цепях одной структуры сочеталась с высоким входным сопротивлением другой.

Современный IGBT-транзистор отличается от своего предшественника. Дело в том, что технология их производства постепенно совершенствовалась. С момента появления первого элемента с такой структурой его основные параметры изменились в лучшую сторону:

• Коммутируемое напряжение выросло с 1000V до 4500V. Это позволило использовать силовые модули при работе в цепях повышенного напряжения. Дискретные элементы и модули стали более надежными в работе с индуктивностью в силовой цепи и более защищенными от импульсных помех.
• Коммутируемый ток для дискретных элементов вырос до 600A в дискретном и до 1800A в модульном исполнении. Это позволило коммутировать токовые цепи большой мощности и использовать IGBT-транзистор для работы с двигателями, нагревателями, различными установками промышленного назначения и т.д.
• Прямое падение напряжения в открытом состоянии упало до 1V. Это позволило уменьшить площадь теплоотводящих радиаторов и одновременно снизить риск выхода из строя от теплового пробоя.
• Частота коммутации в современных приборах достигает 75 Гц, что позволяет использовать их в инновационных схемах управления электроприводом. В частности, они с успехом применяются в частотных преобразователях. Такие приборы оснащены шим-контроллером, который и работает в «связке» с модулем, основной элемент в котором – IGBT-транзистор. Частотные преобразователи постепенно замещают традиционные схемы управления электроприводом.
• Быстродействие прибора также сильно выросло. Современные транзисторы IGBT обладают di/dt = 200мкс. Имеется в виду время, затраченное на включение/отключение. По сравнению с первыми образцами быстродействие увеличилось в пять раз. Увеличение этого параметра влияет на возможную коммутируемую частоту, что немаловажно при работе с устройствами, реализующими принцип шим-регулирования.

Также совершенствовались и электронные схемы, которые осуществляли управление IGBT-транзистором. Основные требования, которые предъявлялись к ним – это обеспечить безопасное и надежное переключение устройства. Они должны учитывать все слабые стороны транзистора, в частности, его «боязнь» перенапряжения и статического электричества.

Силовая электроника — IGBT — CoderLessons.com

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами и используется в основном в качестве электронного переключателя. Он характеризуется быстрым переключением и высокой эффективностью, что делает его необходимым компонентом в современных приборах, таких как ламповые балласты, электромобили и частотно-регулируемые приводы (ЧРП).

Его способность быстро включаться и выключаться делает его применимым в усилителях для обработки сложных волновых паттернов с широтно-импульсной модуляцией. IGBT объединяет характеристики полевых МОП-транзисторов и BJT для достижения высокого тока и емкости с низким напряжением насыщения соответственно. Он объединяет изолированный затвор с использованием полевого транзистора (FET) для получения управляющего входа.

Символ IGBT

Усиление IGBT вычисляется по отношению его выходного сигнала к его входному сигналу. В обычных BJT степень усиления (β) равна отношению его выходного тока к входному току.

IGBT имеет очень низкое значение сопротивления включенного состояния (RON), чем MOSFET. Это означает, что падение напряжения (I ² R) на биполярном для конкретной операции переключения очень низкое. Действие прямого блокирования IGBT аналогично действию MOSFET.

Когда IGBT используется в качестве управляемого переключателя в статическом состоянии, его номинальные значения тока и напряжения равны значениям BJT. Напротив, изолированный затвор в IGBT упрощает управление зарядом BJT и, следовательно, требует меньше энергии.

IGBT включается или выключается в зависимости от того, была ли активирована или деактивирована его управляющая клемма. Постоянная положительная разность потенциалов между затвором и эмиттером поддерживает IGBT во включенном состоянии. Когда входной сигнал удаляется, IGBT выключается.

Принцип работы IGBT

IGBT требует только небольшое напряжение для поддержания проводимости в устройстве, в отличие от BJT. IGBT является однонаправленным устройством, то есть он может включаться только в прямом направлении. Это означает, что ток течет от коллектора к эмиттеру в отличие от полевых МОП-транзисторов, которые являются двунаправленными.

Приложения IGBT

IGBT используется в средне- и сверхвысокой мощности, например, в тяговом двигателе. В больших IGBT возможно работать с высоким током в диапазоне сотен ампер и напряжением блокировки до 6 кВ.

IGBT также используются в силовых электронных устройствах, таких как преобразователи, инверторы и другие приборы, где необходима твердотельная коммутация. Биполяры доступны с высоким током и напряжением. Однако скорость их переключения низкая. Напротив, МОП-транзисторы имеют высокие скорости переключения, хотя они и дороги.

Что такое IGBT? — Принцип конструкции и работы

В этой статье объясняется IGBT, его символ, конструкция и принцип работы с соответствующей структурой и принципиальными схемами.

Что такое IGBT?

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) представляет собой трехконтактный переключатель питания, имеющий высокий входной импеданс, такой как PMOSFET, и низкие потери мощности в открытом состоянии, как в BJT (биполярный транзистор). Таким образом, IGBT — это комбинация лучших качеств как BJT, так и PMOSFET.Это самый популярный выключатель питания среди инженеров силовой электроники, который находит множество применений.

IGBT — трехполюсное устройство. Три терминала — это ворота (G), эмиттер (E) и коллектор (C). Обозначение схемы IGBT показано ниже.

IGBT также известен как металлооксидный транзистор с изолированным затвором (MOSIGT), полевой транзистор с модуляцией проводимости (COMFET) или полевой транзистор с модуляцией усиления (GEMFET). Первоначально он назывался транзистором с изолированным затвором (IGT).

Строительство IGBT:

БТИЗ построен на подложке из слоя p +. На p + -подложке эпитаксиально выращивается n-слой с высоким удельным сопротивлением. Как и в других полупроводниковых устройствах, толщина n-слоя определяет способность IGBT блокировать напряжение. На другой стороне подложки p + нанесен металлический слой, образующий клемму коллектора (C). Теперь p-области диффундируют в эпитаксиально выращенном n-слое. Кроме того, n + -области рассеиваются в p-области. Базовая конструкция IGBT показана на рисунке ниже.

Теперь на поверхности вырос изолирующий слой диоксида кремния (SiO ₂ ). Этот изолирующий слой протравлен, чтобы заделать металлические выводы эмиттера и затвора.

Подложка p + также называется слоем инжектора, потому что она вводит дырки в n-слой. N-слой называется дрейфовой областью. Следующий слой p называется корпусом IGBT. N-слой между p + и p-областями служит для размещения обедненного слоя pn-перехода, то есть J2.

Эквивалентная цепь

:

Примерная эквивалентная схема IGBT состоит из полевого МОП-транзистора и p + n-p транзистора (Q ₁ ). Чтобы учесть сопротивление, создаваемое областью n-дрейфа, в схему было включено сопротивление R _d . Это показано ниже.

Эта эквивалентная схема может быть получена путем тщательного изучения базовой структуры IGBT. Базовая структура показана ниже.

Из рисунка выше видно, что по мере продвижения вверх от коллектора к эмиттеру мы сталкиваемся с слоями p +, n-, p.Это означает, что IGBT можно рассматривать как комбинацию полевого МОП-транзистора и транзистора p ⁺ n ^— p (Q ₁ ). Это основа для примерной схемы замещения.

Теперь внимательно изучите базовую структуру IGBT, показанную выше. Вы заметите, что существует другой путь от коллектора к эмиттеру; этот путь коллектор, p +, n ^— , p (n-канал), n + и эмиттер. Таким образом, в структуре IGBT имеется еще один транзистор Q ₂ as n ^— pn +.Таким образом, нам нужно включить этот транзистор Q ₂ в примерную эквивалентную схему, чтобы получить точную эквивалентную схему.

Точная эквивалентная схема IGBT показана ниже.

R, _на в этой цепи — это сопротивление, оказываемое областью p потоку дырочного тока.

Принцип работы IGBT:

Принцип работы IGBT основан на смещении затвора к клеммам эмиттера и коллектора к клеммам эмиттера.Когда коллектор положительный по отношению к эмиттеру, IGBT смещается вперед. При отсутствии напряжения между затвором и эмиттером два перехода между n-областью и p-областью, то есть переходом J2, имеют обратное смещение. Следовательно, ток от коллектора к эмиттеру не течет. Вы можете обратиться к рисунку 1 для лучшего понимания.

Когда затвор становится положительным по отношению к эмиттеру некоторым напряжением V _G (это напряжение должно быть больше, чем пороговое напряжение V _GET IGBT), n-канал формируется в верхней части p-области прямо под воротами.Этот n-канал называется инверсионным слоем . Этот n-канал замыкает n-область на n + эмиттерную область. Электроны от n + эмиттера начинают течь в n-дрейфовую область через n-канал.

Поскольку IGBT смещен в прямом направлении с положительным положением коллектора и отрицательным эмиттером, область коллектора p + вводит дырки в область n-дрейфа. Таким образом, область n-дрейфа заполняется электронами из области p-тела и дырками из области p + коллектора. При этом концентрация инжектируемых носителей заряда в n-области дрейфа значительно возрастает, а затем и проводимость n-области.Таким образом, IGBT включается и начинает проводить прямой ток I _C .

Ток I _C или I _E состоит из двух компонентов тока:

• Дырочный ток I _ч из-за инжекции дырок из коллектора p +, p + n ^— p транзистор Q ₁ , сопротивление области p-тела R _на и эмиттер.
• Электронный ток I _e из-за инжектированных электронов, текущих из коллектора, инжекционного слоя p +, области дрейфа n-, сопротивления n-канала R _ch , n + и эмиттера.

Следовательно, коллектор или нагрузка ток

I _C = Ток эмиттера

= I _E

= I _h + I _e

Основной ток коллектора — это электронный ток I _e , т.е. основной путь тока для коллектора или нагрузки, ток проходит через p +, n-, сопротивление дрейфа R _d и сопротивление n-канала R _ch . Это показано в точной эквивалентной схеме.

Падение напряжения в IGBT во время его включения состоит из падения напряжения в n-канале, падения напряжения в дрейфующей n-области, падения напряжения на смещенном в прямом направлении p + n-переходе J1.Падение напряжения на переходе J1 очень мало, порядка 0,7–1 В. Падение напряжения IGBT во включенном состоянии очень мало, и, следовательно, потери в состоянии включения также малы.

Принцип работы

IGBT — все, что вам нужно знать

IGBT — одно из самых эффективных электронных изобретений. Принцип работы IGBT уникален и находит широкое применение в различных коммерческих областях, например в приводах двигателей переменного / постоянного тока, системах управления тяговыми двигателями, ИБП (нерегулируемый источник питания), инверторах и т. Д.

Но не будем забегать вперед. Вы должны понимать, как полностью работает IGBT. Итак, поехали.

Что такое IGBT?

IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором. Это трехконтактное полупроводниковое электрическое устройство, обеспечивающее быстрое переключение при высоком КПД.

Чтобы лучше понять БТИЗ, лучше всего разбираться в различных транзисторах с точки зрения их функциональности.

Транзисторы

Транзистор — это небольшой электронный компонент, выполняющий две основные функции.Он действует как переключатель для управления цепями освещения и может усиливать сигналы.

Существуют разные типы транзисторов в зависимости от их полезности или конкретной области применения. Обычно используемые транзисторы — это BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET и IGBT.

И BJT, и MOSFET имеют свои предпочтения, а также преимущества перед другими. В то время как BJT предпочитают низкие падения напряжения в открытом состоянии, MOSFET лучше всего подходят для их высокого импеданса I / P, низких потерь переключения и отсутствия вторичного пробоя.

IGBT сочетает в себе как BJT, так и MOSFET, благодаря чему он использует лучшее из обоих транзисторов.

Таким образом, IGBT — это трехконтактное устройство, используемое в качестве переключающего устройства и применимое для усиления сигналов. IGBT обеспечивает быстрое переключение при высоком КПД.

Символ IGBT

Поскольку IGBT объединяет BJT и MOSFET, его символы соответствуют тому же принципу, что и ниже.

Символ IGBT

Символ также имеет три терминала — коллектор, эмиттер и затвор.Сторона входа представляет полевой МОП-транзистор, в то время как выходной символ берется из символа BJT.

Как и ожидалось, клеммы проводимости — коллектор и эмиттер. Ворота — это контрольный терминал.

Структура IGBT

Все три клеммы (коллектор, эмиттер и затвор) IGBT прикреплены металлическими слоями. Однако металлический материал на выводе затвора имеет изоляцию из слоя диоксида кремния.

Внутренне структура IGBT представляет собой четырехслойное полупроводниковое устройство.Четырехслойное устройство создается за счет объединения транзисторов PNP и NPN, которые составляют структуру PNPN.

Структура IGBT

Источник: Компоненты 101

Слой, ближайший к области коллектора, — это (p +) подложка, область инжекции. Справа над ней находится N-дрейфовая область, которая включает N-слой.

Активная область инжекции инжектирует большую часть носителя (дырочного тока) из (p +) в N- слой.

Толщина области дрейфа определяет способность IGBT блокировать напряжение.

Вверху области дрейфа находится область тела, которая состоит из (p) субстрата. Это близко к Эмиттеру. Внутри области тела есть (n +) слоев.

Обратите внимание, что стыки между областью коллектора (или областью впрыска) и областью N-дрейфа являются J2. Точно так же соединение между N-областью и областью тела — это соединение J1.

ПРИМЕЧАНИЕ: БТИЗ топологически похож на тиристор с точки зрения «МОП-затвора».Но действия и функциональность тиристоров подавляются, что означает, что во всем рабочем диапазоне устройства IGBT допустимо только действие транзистора.

IGBT предпочтительнее тиристора из-за быстрого переключения ожидания тиристора при переходе через ноль.

Как работает IGBT?

Принцип работы IGBT включается или выключается посредством активации или деактивации его клеммы Gate.

Если на затворе проходит положительное входное напряжение, эмиттер сохраняет цепь возбуждения включенной.С другой стороны, если клемма затвора IGBT имеет нулевое напряжение или немного отрицательно, она отключает приложение схемы.

Поскольку биполярное устройство с изолированным затвором функционирует как BJT и MOSFET, величина усиления, которую он достигает, представляет собой соотношение между его выходным и управляющим входными сигналами.

Для обычного BJT величина усиления примерно такая же, как отношение выходного тока к входному. Мы назвали его Бета и обозначили как β.

С другой стороны, для полевого МОП-транзистора нет входного тока, потому что клемма затвора является изоляцией основного канала, по которому проходит ток.Мы определяем коэффициент усиления IGBT, разделив изменение выходного тока на изменение входного напряжения. Это делает IGBT устройством, обеспечивающим электрическую проводимость.

Работа IGBT как цепи

Давайте поясним это с помощью рисунка ниже, который описывает весь рабочий диапазон устройства IGBT.

Работа IGBT как цепи

IGBT работает только при наличии напряжения на клемме затвора. Это напряжение затвора, которое составляет В _G .

Как видно на диаграмме, как только появляется напряжение затвора ( В _G ) _, , ток затвора ( I _G ) увеличивается. Затем он увеличивает напряжение затвор-эмиттер ( В, _GE ).

Следовательно, напряжение затвор-эмиттер увеличивает ток коллектора ( I _C ). Таким образом, ток коллектора ( I _C ) снижает напряжение между коллектором и эмиттером ( В _CE ).

ПРИМЕЧАНИЕ. Падение напряжения IGBT аналогично диодному, типичное для порядка 2 В, которое увеличивается только с логарифмом тока.

БТИЗ использует безынерционные диоды для проведения обратного тока. На клеммах коллектор-эмиттер устанавливаются свободно вращающиеся диоды.

IGBT, кремниевый диод

Источник: публикация Researchgate

Встроенный диод является обязательным требованием для IGBT, поскольку без него силовое электронное устройство может вывести из строя выключатель питания.После выключения индуктивный ток нагрузки генерирует пики высокого напряжения всякий раз, когда нет подходящего пути.

Модуль IGBT и FWD

Источник: Researchgate

Каждый раз, когда биполярный транзистор с изолированным затвором выключается, неосновные носители из N-области перетекают во внешнюю схему. После того, как слой обеднения расширяется (возрастает напряжение коллектор-эмиттер), неосновные носители вызывают внутреннюю рекомбинацию потока тока, хвостового тока.

Типы IGBT

Как четырехуровневое устройство IGBT классифицируются на основе наличия (n +) буферного уровня. Биполярные транзисторы с изолированным затвором и (n +) буферным слоем — это Punch through IGBT (или просто PT-IGBT).

Точно так же IGBT без (n +) буферного слоя являются Non-Punch through IGBT (или просто NPT-IGBT). Вот таблица их различий.

Биполярные транзисторы

с изолированным затвором поддаются дальнейшей классификации по их характеристикам.Концепция конструкции устройства для PT-IGBT и NPT-IGBT может быть симметричной или асимметричной.

Симметричные IGBT имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя. В то же время прямое напряжение пробоя асимметричных биполярных транзисторов с изолированным затвором больше, чем напряжение обратного пробоя.

Это означает, что симметричный IGBT в основном применим в цепях переменного тока. С другой стороны, асимметричный IGBT применим в цепях постоянного тока, и это потому, что они не нуждаются в каком-либо поддерживаемом обратном напряжении.

Модели IGBT

Схемы, использующие принцип работы IGBT, обычно моделируются с использованием имитаторов схем, таких как Sabre и SPICE.

Симуляторы могут моделировать IGBT (и другие фактические устройства), чтобы обеспечить наилучшие прогнозы относительно токов и напряжений на электрических клеммах.

Для еще более точного прогноза в процесс моделирования включены тепло и температура. Наиболее распространенные методы моделирования для концепции конструкции устройства IGBT:

• Физическая модель
• MacroModel

Симулятор SPICE использует метод MacroModel, который объединяет различные компоненты, такие как MOSFET и BJT, с использованием конфигурации Дарлингтона.

Принцип работы IGBT

— Электрические характеристики

Из-за того, что IGBT зависит от напряжения для функционирования, устройствам требуется лишь небольшое количество напряжения, подаваемого на вывод затвора для поддержания проводимости.

Электрические характеристики

Это противоположность биполярным силовым транзисторам, которым для поддержания насыщения требуется постоянный ток базы в области базы.

В то же время IGBT является однонаправленным устройством, что означает, что он переключается только в «прямом направлении» (от коллектора к эмиттеру).

Это противоположность полевых МОП-транзисторов, которые имеют двунаправленный процесс переключения тока. В практических устройствах полевые МОП-транзисторы могут управляться в прямом направлении и неконтролируемыми в обратном направлении.

Обратите внимание, что в динамических условиях IGBT может испытывать ток фиксации при выключении устройства. Когда кажется, что непрерывный управляющий ток в открытом состоянии превышает критическое значение, это ток фиксации.

Кроме того, когда напряжение затвор-эмиттер опускается ниже порогового значения, через устройство протекает небольшой ток утечки.В это время напряжение коллектор-эмиттер практически равно напряжению питания. Следовательно, четырехслойный IGBT-транзистор работает в области отсечки.

Принцип работы IGBT

— применение IGBT

IGBT может использоваться в усилителях слабого сигнала, так же как MOSFET и BJT. Тем не менее, IGBT использует лучшее из обоих, поэтому имеет низкие потери проводимости и высокую скорость переключения.

IGBT используется в большинстве современных электронных устройств, таких как стереосистемы, поезда, VSF, электромобили, кондиционеры и т. Д.

IGBT в сравнении с MOSFET Биполярные транзисторы

с изолированным затвором лучше всего подходят для высоких напряжений, низких частот переключения и сильноточных конфигураций. Напротив, полевые МОП-транзисторы лучше всего подходят для областей с низким напряжением, высокими частотами переключения и средними токами.

IGBT в сравнении с MOSFET

Источник: Researchgate

IGBT может использоваться в практических устройствах с частотами переключения ниже 20 кГц из-за его высоких потерь переключения.

Сводка

Мы надеемся, что теперь вы понимаете, что такое IGBT и чем они отличаются от MOSFET и BJT. У вас есть вопросы или опасения по поводу IGBT? Не стесняйтесь связаться с нами!

VI характеристика IGBT и принцип его работы »Электронные устройства

VI-характеристики IGBT показаны на рисунке. В прямом направлении они аналогичны таковым у биполярных транзисторов. Единственное отличие состоит в том, что управляющим параметром является напряжение Vgs затвор-исток, а управляемым параметром является ток стока.Принцип работы IGBT основан на модуляции проводимости.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой трехконтактный полупроводниковый прибор, представляющий собой гибрид полевого МОП-транзистора и BJT для обеспечения высокой эффективности и быстрого переключения. Прочтите эту статью, чтобы узнать о структуре работы IGBT и приложениях IGBT.

power BJT имеет преимущество низкой рассеиваемой мощности, но его нельзя переключать с большей скоростью из-за более длительного времени выключения , тогда как полевые МОП-транзисторы имеют очень высокую скорость переключения , но их пропускная способность по мощности невысока. так же хорошо, как у BJT.

VI характеристики IGBT:

Таким образом, IGBT представляет собой управляемое напряжением устройство с изолированным затвором. Ток стока увеличивается с увеличением Vgs при постоянном значении Vds

.

IGBT обладает всеми преимуществами из MOSFET благодаря изолированному затвору . Он также обладает всеми преимуществами BJT благодаря биполярной проводимости .

Как видно из характеристик VI IGBT , ток стока (или ток коллектора) увеличивается с увеличением напряжения между затвором и истоком (Vgs).

Также обратите внимание, что напряжение между затвором и истоком Vgs положительное. Vds — прямое напряжение пробоя.

Это значение Vds, при котором происходит лавинный пробой. В этот момент напряжение на устройстве и ток через него высокие.

Следовательно, мощность , рассеиваемая в устройстве, будет очень большой и приведет к его повреждению. Следовательно, устройство должно работать при напряжении ниже этого.

Типы IGBT:

В зависимости от того, включен ли буферный слой n + в структуру IGBT или нет, они делятся на две категории:

• Непробиваемый IGBT (n + слой отсутствует).Пробить через IGBT (присутствует n + слой).
• БТИЗ непробиваемого типа обладают симметричной блокирующей способностью. Это означает, что без выхода из строя они могут успешно блокировать высокие положительные и отрицательные напряжения (Vds).
• Пробивка через IGBT имеет асимметричную блокирующую способность. Это означает, что они могут последовательно блокировать положительные Vds, но не могут успешно блокировать отрицательное напряжение.

Принцип работы IGBT:

Принцип работы IGBT аналогичен принципу работы полевого МОП-транзистора.

Операцию можно разделить на две части: Создание инверсионного слоя и

• Создание инверсионного слоя.
• Модуляция проводимости.

Создание инверсионного слоя:

Работа IGBT основана на принципе создания инверсионного слоя, который аналогичен таковому для силового MOSFET.

В IGBT также, когда положительное напряжение затвор-исток Vgs больше, чем Vgs (порог), слой инверсии n-типа создается под слоем SiO2 (оксид), как показано на рисунке.

Из-за образования индукционного слоя n-типа в слое тела p-типа образуется канал (n + n n-), который помогает установить электронный ток.

Единственное различие между MOSFET и IGBT состоит в том, что в MOSFET отсутствует «модуляция проводимости» дрейфового слоя.

Следовательно, сопротивление Rds в открытом состоянии и, следовательно, потери мощности в открытом состоянии в MOSFET очень высоки. Однако в IGBT происходит модуляция проводимости, которая снижает потери в открытом состоянии, как объясняется следующим образом:

Модуляция проводимости:

В IGBT имеет место модуляция проводимости n-дрейфового слоя.

Эффект модуляции проводимости заключается в уменьшении сопротивления в открытом состоянии и, следовательно, потерь мощности в открытом состоянии. Следовательно, потери в открытом состоянии в IGBT меньше, чем в MOSFET.

Модуляцию проводимости в n-дрейфовом слое можно пояснить с помощью рисунка.

Из-за приложения прямого напряжения между стоком (коллектором) и истоком (эмиттером) переход J3 смещен в прямом направлении.

За счет создания инверсионного слоя.электроны из источника инжектируются в дрейфовый n-слой по n + pn-каналу.

Поскольку переход J3 уже смещен в прямом направлении, он будет вводить дыры в буферный слой n + из слоя p +.

Электроны, инжектированные в дрейфовый слой n-типа, создают объемный заряд, который будет притягивать дырки из буферного слоя n +, которые были введены слоем p +.

Таким образом, происходит «двойная инжекция» (электронов и дырок) в область n-дрейфа с обеих сторон.

Это увеличивает проводимость области дрейфа и снижает сопротивление до минимума. Таким образом, модуляция проводимости снизит напряжение в открытом состоянии на IGBT.

биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) | Принцип работы

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — это трехконтактное переключающее устройство, которое объединяет полевой транзистор для управления с биполярным транзистором для переключения. См. Рисунок 1.

Рис. 1. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — это трехконтактное переключающее устройство, которое объединяет полевой транзистор с биполярным транзистором.

Характеристики IGBT

Основное различие в конструкции между силовым полевым МОП-транзистором и IGBT состоит в добавлении слоя инжекции в IGBT.

Из-за наличия инжектируемого слоя дырки инжектируются в высокоомный N-слой, и возникает переполнение носителя.Это увеличение проводимости N-слоя позволяет снизить напряжение в открытом состоянии IGBT. См. Рисунок 2.

Кремниевый IGBT стал известен как переключатель мощности для приложений высокого напряжения (более 500 В) и высокой мощности (более 500 Вт).

IGBT представляет собой комбинацию биполярного транзистора и полевого МОП-транзистора. Он имеет характеристики переключения выхода и проводимости биполярного транзистора, но управляется напряжением, как полевой МОП-транзистор. Это означает, что он имеет преимущество, заключающееся в способности биполярного транзистора работать с большими токами с легкостью управления полевым МОП-транзистором.

IGBT — это силовой полупроводниковый прибор, отличающийся высокой эффективностью и быстрым переключением. Решение о том, использовать ли IGBT или MOSFET, зависит от приложения. При выборе IGBT следует учитывать требования к стоимости, размеру, скорости и окружающей среде.

Рисунок 2. Основное различие между силовым полевым МОП-транзистором и IGBT состоит в добавлении слоя инжекции в IGBT.

Работа IGBT

IGBT — это устройства с быстрой коммутацией.Операции IGBT состоят из операций блокировки, состояния ВКЛ / ВЫКЛ и фиксации. Безопасная рабочая зона (SOA) IGBT защищает от индуктивного отключения.

Две конфигурации IGBT включают в себя конфигурации с сквозным отверстием (PT) и без него (NPT).

Блокировка операции

Состояние включения / выключения IGBT определяется напряжением на затворе.

Если напряжение, приложенное к контакту затвора по отношению к эмиттеру, меньше порогового напряжения, то слой инверсии полевого МОП-транзистора не создается, и устройство выключается.В этом случае любое приложенное прямое напряжение должно падать на переход с обратным смещением. Единственным протеканием тока должен быть небольшой ток утечки.

Таким образом, прямое напряжение пробоя определяется напряжением пробоя перехода. Это важно для силовых устройств с большими напряжениями и токами.

Напряжение пробоя перехода зависит от легирования. Более низкая степень легирования приводит к более широкой обедненной области и меньшему максимальному электрическому полю в обедненной области, поэтому область дрейфа (N–) легирована намного легче, чем область тела.

Буферный слой (N +) присутствует для предотвращения распространения обедненной области в биполярный коллектор. Преимущество этого буферного слоя состоит в том, что он позволяет уменьшить толщину дрейфовой области, тем самым уменьшая потери в открытом состоянии.

Работа в открытом состоянии

Включенное состояние IGBT достигается увеличением напряжения затвора до значения, превышающего пороговое напряжение. Это увеличение напряжения приводит к формированию инверсионного слоя под затвором, который обеспечивает канал, соединяющий источник с областью дрейфа IGBT.Затем электроны инжектируются из источника в область дрейфа. При этом в область дрейфа инжектируются дырки.

Эта инжекция вызывает проводимость дрейфовой области, где как электронная, так и дырочная плотности выше, чем исходное легирование N–. Эта проводимость обеспечивает низкое напряжение в открытом состоянии IGBT. Это возможно из-за пониженного сопротивления области дрейфа.

Некоторые из инжектированных дырок должны рекомбинировать в дрейфовой области. Другие могут пересекать область за счет дрейфа и диффузии и достигать стыка области тела, где они собираются.

Работа в выключенном состоянии

Либо затвор должен быть закорочен на эмиттер, либо к затвору должно быть приложено отрицательное смещение.

Когда напряжение затвора падает ниже порогового напряжения, инверсионный слой не может поддерживаться, и подача электронов в область дрейфа блокируется. В этот момент начинается процесс отключения.

Процесс отключения не может быть завершен так быстро, как хотелось бы, из-за высокой концентрации неосновных носителей, инжектированных в область дрейфа во время прямой проводимости.Коллекторный ток быстро уменьшается из-за прекращения прохождения электронного тока через канал. Затем ток коллектора уменьшается по мере рекомбинации неосновных носителей заряда.

Операция с фиксацией

Во время работы в открытом состоянии пути прохождения тока в IGBT позволяют вводить дыры в область дрейфа от коллектора (P +).

Части дырок исчезают в результате рекомбинации с электронами из канала MOSFET. Остальные части дырок притягиваются в окрестности инжекционного слоя отрицательным зарядом электронов.Эти отверстия пересекают область тела и вызывают падение напряжения в сопротивлении тела.

Находясь в состоянии фиксации, затвор MOSFET не контролирует ток коллектора. Единственный способ отключить IGBT — отключить ток, как и в случае с обычным тиристором.

Примечание: Если фиксация не прекращается быстро, IGBT может выйти из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности.

Безопасная рабочая зона IGBT

Безопасная рабочая зона (SOA) — это предел тока-напряжения, при котором устройство переключения мощности, такое как IGBT, может работать без разрушения.Область определяется максимальным напряжением коллектор-эмиттер (V _CE ) и током коллектора (I _C ), которым должна управляться работа IGBT, чтобы защитить IGBT от повреждения.

Типы SOA для IGBT: безопасная рабочая зона с прямым смещением (FBSOA), безопасная рабочая зона с обратным смещением (RBSOA) и безопасная рабочая зона с коротким замыканием (SCSOA). Два основных условия, которые могут повлиять на SOA IGBT, — это работа во время короткого замыкания и индуктивное отключение.

Защита должна быть на месте при переключении индуктивных нагрузок. Это можно сделать с помощью обычных диодов, стабилитронов или резисторов. Используемый метод зависит от приложения. БТИЗ часто нуждаются в таком типе защиты от индуктивных нагрузок, чтобы предотвратить индуктивное отключение.

ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКТ

БТИЗ

, которые используются в частотно-регулируемых приводах в качестве переключающих устройств двигателя, иногда выходят из строя. Отказ можно уменьшить, используя линейные и нагрузочные дроссели, ограничивая расстояние между приводом и двигателем, оставляя достаточно открытого пространства для охлаждения привода, увеличивая время разгона / торможения двигателя, снижая настройку частоты ШИМ, обеспечивая надлежащее заземление и не нагружая привод. более 80% своего рейтинга.

Конфигурации PT и NPT

Для конструкции IGBT используются два типа структур: сквозная (PT) структура и непробиваемая (NPT) структура.

IGBT называется PT IGBT, когда есть буферный слой (N +) между слоем инжекции (P +) и областью дрейфа (N–). В противном случае его называют NPT IGBT.

Буферный слой улучшает скорость отключения за счет уменьшения количества впрыскиваемых неосновных носителей и повышения скорости рекомбинации во время переключения переключения.

PT IGBT имеет те же характеристики, что и NPT IGBT, по скорости переключения и прямому падению напряжения. В настоящее время наиболее распространенными IGBT являются PT IGBT.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) обеспечивает высокую скорость переключения, необходимую для работы ЧРП с ШИМ. БТИЗ могут включаться и выключаться несколько тысяч раз в секунду. VFD IGBT может включиться менее чем за 400 наносекунд и выключиться примерно за 500 наносекунд.VFD IGBT состоит из затвора, коллектора и эмиттера. Когда на затвор подается положительное напряжение (обычно +15 В постоянного тока), IGBT включается. Это похоже на замыкание переключателя. Ток будет течь между коллектором и эмиттером. VFD IGBT отключается путем снятия положительного напряжения с затвора. В выключенном состоянии напряжение затвора IGBT обычно поддерживается на небольшом отрицательном уровне (-15 В постоянного тока), чтобы предотвратить включение устройства.

Все современные частотно-регулируемые приводы используют силовые устройства, известные как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).Эти устройства позволяют свести к минимуму раздражающий слышимый шум за счет использования частот переключения за пределами слышимого диапазона. К сожалению, VFD, использующие IGBT, представляют высокий потенциал для генерации RFI — радиочастотных помех. Быстрое переключение в этих устройствах генерирует сигналы с острыми краями с высокочастотными компонентами, которые создают больше RFI. Наиболее вероятная жалоба — это помехи радиоприемникам AM диапазона 500-1600 кГц. Тем не менее, чувствительные компьютеры, медицинское оборудование и другие чувствительные к шуму устройства, использующие одну и ту же шину питания, могут испытывать серьезные помехи.

В крайних случаях сам частотно-регулируемый привод может испытывать электрические помехи (как уменьшить шум?). Если оборудование машинного отделения лифта не размещено и не подключено должным образом, электрический шум, распространяемый системой ЧРП лифта, может мешать работе контроллера лифта.

Примером может служить здание без надежной системы заземления, где система частотно-регулируемого привода столкнулась с множеством проблем. Для устранения многих проблем с электрическими помехами было предусмотрено твердое заземление, однако на сам частотно-регулируемый привод воздействовали неопределенные источники шума.

Была исследована прокладка полевой проводки подрядчика к контроллеру, и несколько недостатков были обнаружены и исправлены. Впоследствии было установлено, что понижающий силовой / развязывающий трансформатор, необходимый для этого конкретного приложения, физически расположен слишком близко к передней части контроллера. При открытой дверце контроллера трансформатор создавал помехи, которые влияли на управляющие микрокомпьютеры. Решением было размещение экрана между трансформатором и контроллером, хотя другие методы также могли сработать.

Символ IGBT, схема, характеристики, конструктивная схема

Биполярный транзистор IGBT полной формы с изолированным затвором. IGBT — это устройство переключения полупроводников. MOSFET и BJT — наиболее часто используемые электронные полупроводниковые устройства. IGBT разработан с характеристиками как MOSFET, так и BJT, или мы можем сказать, что IGBT — это комбинация MOSFET и BJT. IGBT — это трехконтактное устройство, способное пропускать большой ток и обеспечивать очень высокую скорость переключения. Хотя IGBT не может обеспечить скорость переключения, как BJT и MOSFET.BJT и MOSFET — это устройства с низким током, но они обеспечивают высокую скорость переключения.

Символ IGBT

Здесь вы можете увидеть символ IGBT ниже.

Вы можете видеть, что IGBT имеет три терминала с именами — Gate (G), Emitter (E) и Collector (C). Его символ показывает, что это биполярный переходной транзистор, но его затвор изолирован от основной цепи.

Эквивалентная схема IGBT

Как я уже говорил ранее, IGBT представляет собой комбинацию BJT и MOSFET. В эквивалентной схеме вы можете увидеть то же самое.

Вы можете видеть, что клемма базы PNP-транзистора соединена с клеммой коллектора N-канального MOSFET. Выводы эмиттера как BJT, так и MOSFET соединены вместе.

Внутренняя конструкция IGBT

Здесь вы можете увидеть внутреннюю конструктивную схему IGBT ниже.

IGBT — это четырехуровневое устройство (P-N-P-N). Область тела, дрейфовый слой, инжекционный слой и металлический слой показаны на рисунке выше. Вы можете видеть, что металлический слой клеммы затвора изолирован от полупроводников металлическим слоем диоксида кремния (SiO2).Две клеммы эмиттера соединены вместе. Здесь вы видите два перекрестка. Соединение между P-подложкой и n-слоем называется переходом 2 (J2), а соединение между P-слоем и n-слоем называется переходом 1 (J1).

Читайте также:

Характеристики IGBT

Здесь вы можете увидеть диаграмму характеристик переключения IGBT.

Ось X представляет ток коллектора (Ic), а ось Y представляет напряжение коллектора-эмиттера (VCE).На приведенной выше диаграмме мы можем увидеть выходную характеристику IGBT.

Когда напряжение затвора (VGE) равно нулю, устройство находится в выключенном состоянии, это называется областью отсечки.

Когда напряжение затвора увеличивается, но ниже порогового напряжения, будет небольшой ток утечки, но тогда также устройство будет в области отсечки.

Когда напряжение затвора превышает пороговое значение, устройство включается и переходит в активную область. В этой активной области через устройство будет протекать ток, и ток можно увеличить, увеличив напряжение затвора.

Когда устройство переходит в область насыщения, ток будет постоянным и не будет увеличиваться даже при увеличении напряжения затвора.

Преимущества IGBT

1. IGBT или биполярный транзистор с изолированным затвором обеспечивает очень высокий КПД.

2. IGBT может работать с очень высокой скоростью переключения.

3. IGBT может работать с большими токами, напряжением и мощностью.

4. Поскольку затвор изолирован, он обеспечивает электробезопасность при работе с высоким напряжением.

Читайте также:

Спасибо, что посетили сайт. продолжайте посещать для получения дополнительных обновлений.

Понимание основ IGBT: что это такое? Каков принцип работы?

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — это композитный силовой полупроводниковый прибор с полностью управляемым напряжением, состоящий из BJT (биполярного переходного транзистора) и MOS (полевого транзистора с изолированным затвором), который имеет самоотключение Характеристики пробоя. Проще говоря, это выключатель без включения и выключения.IGBT не имеет функции усиления напряжения. Его можно рассматривать как провод, когда он включен, и как разомкнутую цепь, когда он выключен. IGBT сочетает в себе преимущества BJT и MOSFET, такие как низкая мощность привода и пониженное напряжение насыщения.

Модуль

IGBT — это модульный полупроводниковый продукт, который объединяется IGBT и FWD (микросхема свободно вращающегося диода) через специальный мост. Он обладает характеристиками энергосбережения, удобной установки и обслуживания, а также стабильного теплоотвода.

IGBT — это основное устройство для преобразования и передачи энергии, а также «ЦП» силовых электронных устройств. Использование IGBT для преобразования энергии может повысить эффективность и качество потребления электроэнергии, обладает характеристиками высокой эффективности, энергосбережения и защиты окружающей среды и является ключевой вспомогательной технологией для решения проблемы нехватки энергии и сокращения выбросов углерода.

IGBT — это композитное устройство Дарлингтона с GTR в качестве доминирующего элемента и MOSFET в качестве движущего элемента.Снаружи есть три электрода: G-затвор, C-коллектор и E-эмиттер.

Во время использования IGBT можно контролировать напряжение коллектор-эмиттер UCE и напряжение затвор-эмиттер UGE для управления состоянием включения / выключения / блокировки IGBT.

1) Когда на затвор-эмиттер IGBT подается 0 или отрицательное напряжение, канал в MOSFET исчезает, и IGBT выключается.

2) При напряжении коллектор-эмиттер UCE0 возможны две ситуации:

② Если напряжение затвор-эмиттер UGEUth, канал затвора формируется, и IGBT находится в проводящем состоянии (нормальная работа).В это время дырки вводятся из области P + в базовую область N для модуляции проводимости, уменьшая значение сопротивления RN базовой области N и уменьшая падение напряжения в открытом состоянии IGBT.

Основные области применения IGBT

Как основное устройство новых силовых полупроводниковых устройств, IGBT широко используется в традиционных областях промышленности, таких как промышленность, 4C (связь, компьютеры, бытовая электроника, автомобильная электроника), аэрокосмическая промышленность, национальная оборона и военная промышленность, а также железнодорожный транспорт. , новая энергия, интеллектуальная сеть, новые стратегические развивающиеся отрасли, такие как энергетические транспортные средства.

1) Автомобили на новой энергии

Модули

IGBT играют жизненно важную роль в электромобилях и являются основными техническими компонентами электромобилей и зарядных устройств. На модули IGBT приходится почти 10% стоимости электромобилей и около 20% стоимости зарядных свай. IGBT в основном используется в следующих областях в области электромобилей:

A) Электрическая система управления приводит в движение двигатель автомобиля после мощного инвертора постоянного / переменного тока (DC / AC);

B) Система управления кондиционером автомобиля. Маломощный инвертор DC / AC (DC / AC), использующий малоточные IGBT и FRD;

C) Зарядная батарея Модуль IGBT в интеллектуальной зарядной батарее используется как переключающий элемент;

2) Интеллектуальная сеть

БТИЗ широко используются в производстве, передаче, подстанциях и энергопотреблении интеллектуальных сетей:

С точки зрения производства электроэнергии выпрямители и инверторы в ветроэнергетике и фотоэлектрической генерации требуют использования модулей IGBT.

С точки зрения передающей стороны технология гибкой передачи FACTS при передаче постоянного тока сверхвысокого напряжения требует большого количества силовых устройств, таких как IGBT.

С точки зрения подстанции, IGBT является ключевым компонентом силового электронного трансформатора (ПЭТ).

С точки зрения энергопотребления, бытовая электросеть, микроволновые печи и драйверы светодиодного освещения имеют большой спрос на IGBT.

3) Железнодорожный транспорт

Устройства

IGBT стали основными силовыми электронными устройствами для тяговых преобразователей и различных вспомогательных преобразователей железнодорожных транспортных средств.Привод переменного тока — одна из основных технологий современного железнодорожного транспорта. В системе привода переменного тока тяговый преобразователь является ключевым компонентом, а IGBT — одним из основных компонентов тягового преобразователя.

Подробнее о IGBT: https://www.utmel.com/blog/categories/transistors/characteristics-and-working-principle-of-igbt

.