Н мост на igbt: Управление IGBT мостом ДПТ – Электроника

• Обзор сравнения различных технологий накопления энергии, используемых в сборке микроэнергии, WSN, недорогих микроэлектронных устройствах: проблемы и рекомендации.

  Риаз А., Саркер М.Р., Саад МХМ, Мохамед Р. Риаз А. и др. Датчики (Базель). 2021 26 июля; 21 (15): 5041. DOI: 10,3390 / s21155041. Датчики (Базель). 2021 г. PMID: 34372278 Бесплатная статья PMC. Рассмотрение.

• Разработка системы сбора пьезоэлектрической энергии путем оптимизации множества структурных параметров.

  Ян Х, Вэй И, Чжан В, Ай И, Е З, Ван Л.Ян Х и др. Датчики (Базель). 2021 Апрель 20; 21 (8): 2876. DOI: 10,3390 / s21082876. Датчики (Базель). 2021 г. PMID: 33923926 Бесплатная статья PMC.

• Новый метод выполнения прямого измерения эффективности и анализа потока энергии в вибрационных сборщиках энергии.

  Кунц Дж., Фиалка Дж., Пикула С., Бенеш П., Крейчи Дж., Клусачек С., Хавранек З. Кунц Дж. И др. Датчики (Базель).2021 30 марта; 21 (7): 2388. DOI: 10,3390 / s21072388. Датчики (Базель). 2021 г. PMID: 33808222 Бесплатная статья PMC.

• Двойной пьезоэлектрический интерфейс инвестирования и сбора энергии для ввода высокого напряжения.

  Хан МБ, Саиф Х., Ли К., Ли Ю. Хан МБ и др. Датчики (Базель). 2021 г., 28 марта; 21 (7): 2357. DOI: 10,3390 / s21072357. Датчики (Базель). 2021 г. PMID: 33800675 Бесплатная статья PMC.

использованная литература

1. 1. Син Л. Надежность в Интернете вещей: текущее состояние и перспективы на будущее. IEEE Internet Things J. 2020; 7: 6704–6721. DOI: 10.1109 / JIOT.2020.2993216. – DOI
2. 1. Посо Б., Гарате Дж. И., Араухо Дж. Б., Феррейро С. Технологии сбора энергии и эквивалентные электронные структурные модели – обзор. Электроника. 2019; 8: 486. DOI: 10.3390 / electronics8050486. – DOI
3. 1. Ли Дж., Сюн К., Цао Дж., Ян X., Лю Т. Энергоэффективность в распределенных антенных системах с питанием от радиочастотного сбора энергии для Интернета вещей.Датчики. 2020; 20: 4631. DOI: 10,3390 / s20164631. – DOI – ЧВК – PubMed
4. 1. Бруннер Б., Курч М., Каал В. Справочник по источникам питания и приложениям для сбора энергии. Пан Стэнфорд; Сингапур: 2015. Пьезоэлектрические преобразователи; С. 79–118.
5. 1. Чжан Ю., Ло А., Ван Ю., Дай X., Лу Ю., Ван Ф. Сборщик вращательной электромагнитной энергии для приложения движения человека на низкой частоте. Прил. Phys. Lett. 2020; 116: 053902. DOI: 10,1063 / 1,5142575. – DOI

Показать все 30 ссылок

Universal Bridge (Power System Blockset)

Реализуйте универсальный трехфазный мостовой преобразователь с выбираемой конфигурацией и типом переключателя питания.

Библиотека

Силовая электроника

Описание

Блок Universal Bridge реализует универсальный трехфазный преобразователь мощности, который состоит из шести переключателей питания, соединенных в виде моста. Тип переключателя питания и конфигурацию преобразователя можно выбрать в диалоговом окне.

Диодные мосты:

Тиристорные мосты:

ГТО-диодные мосты:

МОП-диодные мосты:

БТИЗ-диодные мосты:

Идеальный коммутационный мост:

Диалоговое окно и параметры

Конфигурация порта

Установите ABC в качестве входных клемм для подключения фаз A, B и C моста к входным портам один, два и три блока универсального моста.Клеммы DC + и – будут подключены к выходам один и два.

Установите ABC в качестве выходных клемм для подключения фаз A, B и C моста к выходным портам один, два и три блока универсального моста. Клеммы DC + и – будут подключены к выходам один и два.

Сопротивление амортизатора Rs

Сопротивление демпфера в Ом (). Установите для параметра Сопротивление демпфера Rs значение inf , чтобы исключить демпферы из модели.

Емкость демпфера Cs

Демпферная емкость в фарадах (F). Установите параметр Snubber capacity Cs на 0 , чтобы устранить демпферы, или на inf , чтобы получить чисто резистивный демпфер.

Силовое электронное устройство

Выберите тип силового электронного устройства для использования в мосту.

Рон (Ом)

Внутреннее сопротивление выбранного устройства в Ом ().

Длина (В)

Внутренняя индуктивность в генри (H) для диода, тиристора или полевого МОП-транзистора.

[Tf (s), Tt (s)]

Время спада Tf и время спада Tt в секундах (с) для устройств GTO или IGBT.

Измерения

Выберите Device voltages , чтобы измерить напряжение на шести клеммах силового электронного устройства.

Выберите Токи устройства , чтобы измерить ток, протекающий через шесть силовых электронных устройств.Если демпфирующие устройства определены, то измеряемые токи – это токи, протекающие только через силовые электронные устройства.

Выберите UAB UBC UCA UDC voltages для измерения напряжения на клеммах (переменного и постоянного тока) универсального мостового блока.

Выберите Все напряжения и токи , чтобы измерить все напряжения и токи, определенные для блока Universal Bridge.

Поместите блок мультиметра в вашу модель, чтобы отображать выбранные измерения во время симуляции.В списке Available Measurement блока Multimeter измерение будет обозначено меткой, за которой следует имя блока.

Измерение	Этикетка
Напряжение устройства	uSw1:, uSw2:, uSw3:, uSw4:, uSw5:, uSw6:
Филиал ток	iSw1:, iSw2:, iSw3:, iSw4:, iSw5:, iSw6:
Напряжение на клеммах	uAB:, uBC :, uCA:, uDC:

Входы и выходы

Можно выбрать конфигурацию моста, так что входы и выходы зависят от выбранной конфигурации:

• Когда A, B, C выбраны в качестве входов, клеммы постоянного тока являются выходами.
• Когда A, B, C выбраны в качестве выходов, клеммы постоянного тока являются входами.

За исключением случая диодного моста, вход Pulses принимает совместимый с Simulink векторизованный сигнал стробирования, содержащий шесть последовательностей импульсов. Стробирующие сигналы отправляются на выключатели питания в соответствии с номерами, указанными на схемах выше.

Примечание Порядок импульсов в векторе стробирующих сигналов соответствует номер переключателя указан в шести схемах, указанных в разделе «Описание».Для диодных и тиристорных мостов порядок импульсов соответствует естественный порядок коммутации. Для всех остальных выключателей с принудительной коммутацией импульсы отправляются на верхний и нижний переключатели фаз A, B и C с в следующем порядке: [A верхний, A нижний, B верхний, B нижний, C верхний, C нижний]

Допущения и ограничения

Блоки Universal Bridge могут быть дискретизированы для использования в дискретном временном шаге моделирования, заданном блоком Discrete System.В этом случае внутренняя логика коммутации универсального моста обеспечивает коммутацию между выключателями питания и диодами в ветвях преобразователя.

Примечание В преобразователе, построенном с индивидуальным принудительно-коммутируемым питанием компоненты (GTO, MOSFET, IGBT), дискретизация модели не доступный. См. Главу «Дополнительные темы» для получения более подробной информации.

Пример

Этот пример иллюстрирует использование двух универсальных мостовых блоков в преобразователе переменного тока в переменный, состоящем из выпрямителя, питающего инвертор IGBT через линию постоянного тока.Инвертор имеет широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для подачи на нагрузку трехфазного синусоидального напряжения переменной частоты и переменного напряжения. В этом примере частота прерывания инвертора составляет 2000 Гц, а частота модуляции – 50 Гц.

Инвертор IGBT управляется в замкнутом контуре с помощью ПИ-регулятора для поддержания 1 о.е. напряжение (380 В среднекв., 50 Гц) на клеммах нагрузки.

Блок мультиметра используется для наблюдения за коммутацией токов между диодами 1 и 3 в диодном мосту и между переключателями IGBT / Diodes 1 и 2 в мосте IGBT.

. Схема доступна в демо-версии psbbridges.mdl .

Запустить симуляцию. После переходного периода примерно 70 мс система переходит в устойчивое состояние. Наблюдайте за формами напряжения на шине постоянного тока, выходе инвертора и нагрузке на Scope1. Гармоники, генерируемые инвертором с частотой, кратной 2 кГц, фильтруются LC-фильтром. Как и ожидалось, пиковое значение напряжения нагрузки составляет 537 В (380 В действующее значение).

В установившемся режиме среднее значение индекса модуляции m = 0.77, а среднее значение напряжения постоянного тока составляет 780 В. Таким образом, основная составляющая напряжения 50 Гц, скрытая в прерванном напряжении инвертора, составляет:

Vab = 780 В * 0,612 * 0,80 = 382 В действующее значение

Наблюдайте за токами диодов на кривой 1 осциллографа 2, показывая коммутацию от диода 1 к диоду 3. Также обратите внимание на токи на кривой 2 в переключателях 1 и 2 моста IGBT / диод (верхний и нижний переключатели подключены к фазе A). Эти два тока дополняют друг друга. Положительный ток указывает на ток, протекающий в IGBT, тогда как отрицательный ток указывает на ток, протекающий в встречно-параллельном диоде.

См. Также
Диод, GTO, идеальный переключатель, IGBT, MOSFET, тиристор

Что такое БТИЗ: работа, характеристики переключения, SOA, резистор затвора, формулы силовой полупроводник, который включает в себя характеристики высокоскоростного полевого МОП-транзистора, переключения затвора в зависимости от напряжения и свойства минимального сопротивления включения (низкое напряжение насыщения) BJT.

На рисунке 1 показана эквивалентная схема IGBT, где биполярный транзистор работает с архитектурой затвора MOS, в то время как аналогичная схема IGBT фактически представляет собой смесь транзистора MOS и биполярного транзистора.

, обещающие высокую скорость переключения наряду с минимальными характеристиками напряжения насыщения, используются в широком диапазоне, от коммерческих приложений, таких как блоки использования солнечной энергии и источники бесперебойного питания (ИБП), до областей бытовой электроники, таких как контроль температуры для индукции нагревательные плиты, оборудование для кондиционирования воздуха PFC, инверторы и стробоскопы цифровых фотоаппаратов.

На рисунке 2 ниже показана оценка внутренней компоновки и атрибутов IGBT, биполярного транзистора и MOSFET. Фундаментальная структура IGBT такая же, как и у MOSFET, имеющего слой p +, помещенный в секцию стока (коллектора), а также дополнительный pn переход.

Из-за этого всякий раз, когда неосновные носители (дырки) стремятся попасть через слой p + на n-слой с модуляцией проводимости, сопротивление n-слоя резко снижается.

Следовательно, IGBT обеспечивает пониженное напряжение насыщения (меньшее сопротивление в открытом состоянии) по сравнению с MOSFET при работе с большим током, что позволяет минимизировать потери проводимости.

При этом, учитывая, что для выходного пути потока дырок накопление неосновных носителей в периоды выключения запрещено из-за особой конструкции IGBT.

Эта ситуация вызывает явление, известное как хвостовой ток , при котором выключение замедляется. Когда возникает хвостовой ток, период переключения задерживается и опаздывает, больше, чем у полевого МОП-транзистора, что приводит к увеличению потерь времени переключения во время периодов выключения IGBT.

Абсолютные максимальные характеристики

Абсолютные максимальные характеристики – это значения, предназначенные для обеспечения безопасного и надежного применения IGBT.

Превышение указанных абсолютных максимальных значений даже на мгновение может привести к разрушению или поломке устройства, поэтому убедитесь, что вы работаете с IGBT в пределах максимально допустимых значений, как указано ниже.

Application Insights

Даже если рекомендуемые параметры приложения, такие как рабочая температура / ток / напряжение и т. Д., Поддерживаются в пределах абсолютных максимальных значений, в случае, если IGBT часто подвергается чрезмерной нагрузке (экстремальная температура, большой ток / напряжение перепады температуры и т. д.) долговечность устройства может серьезно пострадать.

Электрические характеристики

Следующие данные информируют нас о различных терминологиях и параметрах, связанных с IGBT, которые обычно используются для подробного объяснения и понимания работы IGBT.

Коллекторный ток, рассеивание коллектора : Рисунок 3 демонстрирует форму кривой температуры рассеяния коллектора IGBT RBN40h225S1FPQ. Максимально допустимое рассеивание коллектора отображается для различных температур корпуса.

Приведенная ниже формула применима в ситуациях, когда температура окружающей среды TC = 25 градусов Цельсия или более.

Pc = (Tjmax – Tc) / Rth (j – c)

Для условий, когда температура окружающей среды TC = 25 ℃ или ниже, рассеивание на коллекторе IGBT применяется в соответствии с их абсолютным максимальным номиналом.

Формула для расчета тока коллектора IGBT:

Ic = (Tjmax – Tc) / Rth (j – c) × VCE (sat)

Однако приведенная выше общая формула является просто расчет устройства в зависимости от температуры.

Коллекторный ток IGBT определяется их напряжением насыщения коллектор / эмиттер VCE (sat), а также в зависимости от их текущего и температурного режима.

Кроме того, ток коллектора (пик) IGBT определяется величиной тока, который он может выдержать, что, в свою очередь, зависит от способа его установки и его надежности.

По этой причине пользователям рекомендуется никогда не превышать максимально допустимый предел IGBT при их использовании в данной схеме.

С другой стороны, даже если ток коллектора может быть ниже максимального номинала устройства, он может быть ограничен температурой перехода устройства или зоной безопасной эксплуатации.

Поэтому обязательно учитывайте эти сценарии при реализации IGBT. Оба параметра, ток коллектора и рассеиваемая мощность коллектора обычно обозначаются как максимальные характеристики устройства.

Безопасная рабочая зона

Безопасная рабочая зона (SOA) зависит от факторов, которые гарантируют, что рабочее состояние IGBT (при переключении) находится в допустимом диапазоне значений напряжения, тока и мощности.

Важно настроить схему схемы, чтобы гарантировать, что траектория переключения устройства во время включения и выключения всегда находится в пределах допустимой SOA (рисунок 4).

SOA IGBT состоит из SOA с прямым смещением и SOA с обратным смещением, однако, поскольку конкретный диапазон значений может отличаться в соответствии со спецификациями устройства, пользователям рекомендуется проверить эквивалентность фактов в листе данных.

Безопасная рабочая зона с прямым смещением

На рисунке 5 показана безопасная рабочая зона с прямым смещением (FBSOA) IGBT RBN50H65T1FPQ.

SOA разделен на 4 области в зависимости от конкретных ограничений, как указано ниже:

• Область, ограниченная наивысшим номинальным током импульса коллектора IC (пиковым).
• Площадь ограничена областью рассеивания коллектора
• Площадь ограничена вторичным пробоем. Помните, что этот вид неисправности приводит к сужению безопасной рабочей области IGBT, за исключением случаев, когда устройство имеет запас на вторичный пробой.
• Площадь ограничена максимальным номинальным напряжением от коллектора до эмиттера VCES.

Безопасная рабочая зона с обратным смещением

На рисунке 6 показана безопасная рабочая зона с обратным смещением (RBSOA) IGBT RBN50H65T1FPQ.

Эта конкретная характеристика работает в соответствии с SOA обратного смещения биполярного транзистора.

Когда обратное смещение, которое не включает смещение, подается на затвор и эмиттер IGBT во время его выключения для индуктивной нагрузки, мы обнаруживаем, что высокое напряжение подается на коллектор-эмиттер IGBT.

Одновременно с этим постоянно течет большой ток из-за остаточного отверстия.

При этом нельзя использовать SOA с прямым смещением, в то время как SOA с обратным смещением может использоваться.

SOA с обратным смещением разделена на 2 ограниченные области, как объясняется в следующих пунктах; в конечном итоге область устанавливается путем проверки реальных процедур функционирования IGBT.

1. Площадь, ограниченная максимальным пиковым током коллектора Ic (пик).
2. Область, ограниченная максимальным номинальным напряжением пробоя коллектор-эмиттер VCES. Обратите внимание, что IGBT может быть поврежден, если заданная траектория работы VCEIC отклоняется от спецификаций SOA устройства.

Следовательно, при разработке схемы на базе IGBT необходимо обеспечить, чтобы рассеивание и другие проблемы с производительностью соответствовали рекомендованным границам, а также необходимо учитывать конкретные характеристики и константы пробоя цепи, относящиеся к устойчивости к пробою. .

Например, SOA с обратным смещением имеет температурную характеристику, которая падает при экстремальных температурах, а рабочий график VCE / IC смещается в соответствии с сопротивлением затвора Rg IGBT и напряжением затвора VGE.

Поэтому очень важно определять параметры Rg и ​​VGE с учетом рабочей экосистемы и наименьшего значения сопротивления затвора в периоды выключения.

Кроме того, демпферная цепь может быть полезна для управления dv / dt VCE.

Статические характеристики

На рисунке 7 показаны выходные характеристики IGBT RBN40h225S1FPQ.На рисунке показано напряжение коллектор-эмиттер, в то время как ток коллектора проходит в произвольной ситуации напряжения затвора.

Напряжение коллектор-эмиттер, которое влияет на эффективность обработки тока и потери во время включения, изменяется в зависимости от напряжения затвора и температуры тела.

Все эти параметры необходимо учитывать при проектировании схемы драйвера IGBT.

Ток возрастает, когда VCE достигает значения 0.От 7 до 0,8 В, хотя это из-за прямого напряжения PN перехода коллектор-эмиттер.

На рисунке 8 показана зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвора IGBt RBN40h225S1FPQ.

По сути, VCE (sat) начинает падать по мере увеличения напряжения затвор-эмиттер VGE, хотя изменение является номинальным, пока VGE = 15 В или выше. Поэтому рекомендуется по возможности работать с напряжением затвор / эмиттер VGE около 15 В.

На рисунке 9 показана зависимость тока коллектора отХарактеристики напряжения затвора IGBT RBN40h225S1FPQ.

Характеристики IC / VGE основаны на изменениях температуры, однако область низкого напряжения затвора по направлению к точке пересечения имеет тенденцию иметь отрицательный температурный коэффициент, в то время как область высокого напряжения затвора означает положительные температурные коэффициенты.

Учитывая, что силовые БТИЗ будут выделять тепло во время работы, на самом деле более выгодно обращать внимание на область положительного температурного коэффициента, особенно , когда устройства работают параллельно .

Рекомендуемое значение напряжения затвора при VGE = 15 В демонстрирует положительные температурные характеристики.

На рисунках 10 и 11 показано, как характеристики напряжения насыщения коллектор-эмиттер вместе с пороговым напряжением
затвора IGBT зависят от температуры.

Из-за того, что напряжение насыщения коллектор-эмиттер имеет характеристики с положительным температурным коэффициентом, непросто пропускать ток, когда работа IGBT рассеивает большое количество температуры, что становится причиной блокировки эффективного тока во время параллельного IGBT операция.

Напротив, работа порогового напряжения затвор-эмиттер зависит от отрицательных температурных характеристик.

Во время сильного рассеивания тепла пороговое напряжение падает вниз, вызывая более высокую вероятность неисправности устройства в результате генерации шума.

Следовательно, внимательное тестирование, сосредоточенное на указанных выше характеристиках, может иметь решающее значение.

Характеристики емкости затвора

Характеристики заряда: На рисунке 12 показаны характеристики заряда затвора стандартного IGBT-устройства.

Характеристики затвора IGBT в основном соответствуют тем же принципам, что и силовые полевые МОП-транзисторы, и предоставляют в качестве переменных, которые определяют ток возбуждения устройства и рассеиваемую мощность возбуждения.

На рисунке 13 показана характеристическая кривая, разделенная на периоды с 1 по 3.
Рабочие процедуры, относящиеся к каждому периоду, объясняются ниже.

Период 1: Напряжение затвора повышается до порогового значения, при котором ток только начинает течь.

Участок, восходящий от VGE = 0 В, является участком, отвечающим за зарядку емкости затвор-эмиттер Cge.

Период 2: Пока происходит переход из активной области в область насыщения, напряжение коллектор-эмиттер начинает изменяться, и емкость Cgc затвор-коллектор заряжается.

Этот конкретный период сопровождается заметным увеличением емкости из-за зеркального эффекта, который заставляет VGE становиться постоянным.

С другой стороны, когда IGBT полностью находится во включенном состоянии, изменение напряжения на коллектор-эмиттер (VCE) и зеркальный эффект исчезают.

Период 3: В этот конкретный период IGBT переходит в полностью насыщенное состояние, а VCE не показывает никаких изменений. Теперь напряжение затвор-эмиттер VGE начинает увеличиваться со временем.

Как определить ток управления затвором

Ток управления затвором IGBT зависит от внутреннего последовательного сопротивления затвора Rg, сопротивления источника сигнала Rs схемы драйвера, элемента rg, который является внутренним сопротивлением устройства, и напряжения возбуждения VGE. (НА).

Ток управления затвором рассчитывается по следующей формуле.

IG (пик) = VGE (вкл.) / Rg + Rs + rg

Принимая во внимание вышеизложенное, необходимо создать выходной контур драйвера IGBT, обеспечивающий ток возбуждения, эквивалентный или больший, чем IG (пиковый ).

Как правило, пиковый ток оказывается меньше значения, определенного с помощью формулы, из-за задержки в схеме драйвера, а также задержки нарастания dIG / dt тока затвора.

Это может происходить из-за таких аспектов, как индуктивность проводки от схемы возбуждения к точке подключения затвора устройства IGBT.

Кроме того, свойства переключения для каждого включения и выключения могут сильно зависеть от Rg.

Это в конечном итоге может повлиять на время переключения и дефицит переключения. Очень важно выбрать подходящий Rg с учетом характеристик используемого устройства.

Расчет потерь привода

Потери, возникающие в схеме драйвера IGBT, можно описать с помощью приведенной ниже формулы, если все потери, возникающие в схеме драйвера, поглощаются указанными выше факторами сопротивления.( f указывает частоту переключения).

P (Drive Loss) = VGE (on) × Qg × f

Характеристики переключения

Учитывая, что IGBT является переключающим компонентом, скорость его включения и выключения является одним из основных факторов, влияющих на его эффективность работы ( потеря).

На рисунке 16 показана схема, которую можно использовать для измерения переключения индуктивной нагрузки IGBT.

Поскольку зажим диода подключается параллельно индуктивной нагрузке L, на задержку включения IGBT (или потери при включении) обычно влияют характеристики времени восстановления диода.

Время переключения

Время переключения IGBT, как показано на рисунке 17, можно разделить на 4 периода измерения.

В связи с тем, что время резко меняется для каждого отдельного периода по отношению к ситуациям Tj, IC, VCE, VGE и Rg, этот период оценивается при следующих условиях.

• td (on) (время задержки включения) : момент времени, с которого напряжение затвор-эмиттер увеличивается до 10% напряжения прямого смещения до уровня, пока ток коллектора не возрастет до 10%.
• tr (время нарастания) : момент времени, с которого ток коллектора увеличивается с 10% до 90%.
• td (выкл.) (Время задержки выключения) : момент времени, с которого напряжение затвор-эмиттер достигает 90% напряжения прямого смещения до уровня, пока ток коллектора не упадет до 90%.
• tf (время спада) : момент времени, с которого ток коллектора снижается с 90% до 10%.
• ttail (хвостовое время) : период выключения IGBT состоит из хвостового времени (ttail).Это может быть определено как время, затрачиваемое избыточными носителями, оставшимися на стороне коллектора IGBT, для их удаления в результате рекомбинации, несмотря на то, что IGBT отключается и вызывает повышение напряжения коллектор-эмиттер.

Характеристики встроенного диода

В отличие от силовых полевых МОП-транзисторов, IGBT не использует паразитный диод .

В результате встроенный IGBT, который поставляется с предварительно установленной микросхемой Fast Recovery Diode (FRD), используется для управления зарядом индуктивности в двигателях и аналогичных приложениях.

В этих типах оборудования эффективность работы как IGBT, так и предварительно установленного диода существенно влияет на эффективность работы оборудования и создание шумовых помех.

Кроме того, решающими параметрами, связанными со встроенным диодом, являются обратное восстановление и прямое напряжение.

Характеристики встроенного обратного восстановления диода

Концентрированные неосновные носители разряжаются во время состояния переключения, когда прямой ток проходит через диод, пока не будет достигнуто состояние обратного элемента.

Время, необходимое для полного высвобождения этих неосновных носителей, известно как время обратного восстановления (trr).

Рабочий ток, задействованный в течение этого времени, называется током обратного восстановления (Irr), а интегральное значение обоих этих интервалов известно как заряд обратного восстановления (Qrr).

Qrr = 1/2 (Irr x trr)

Учитывая, что период времени trr эквивалентно короткозамкнут, это влечет за собой огромные потери.

Кроме того, он ограничивает частоту в процессе переключения. В целом оптимальным считается быстрый trr и уменьшенный Irr (Qrris small).

Эти качества сильно зависят от тока прямого смещения IF, diF / dt и температуры перехода Tj IGBT.

С другой стороны, если trr становится быстрее, di / dt приводит к увеличению крутизны в период восстановления, как это происходит с соответствующим напряжением коллектор-эмиттер dv / dt, что приводит к увеличению склонности к генерации шума.

Ниже приведены примеры, которые показывают способы борьбы с шумом.

1. Уменьшить diF / dt (уменьшить время включения IGBT).
2. Включите демпфирующий конденсатор на коллекторе и эмиттере устройства, чтобы минимизировать напряжение коллектор-эмиттер dv / dt.
3. Замените встроенный диод каким-нибудь мягким восстанавливающим диодом.

Свойство обратного восстановления в значительной степени зависит от допустимых значений напряжения / тока устройства.

Эту функцию можно улучшить с помощью управления сроком службы, массивной металлической диффузии и различных других методов.

Характеристики прямого напряжения встроенного диода

На рисунке 19 показаны выходные характеристики встроенного диода стандартного IGBT.

Прямое напряжение диода VF означает снижение напряжения, возникающее, когда ток IF через диод проходит в направлении прямого падения напряжения на диоде.

Поскольку эта характеристика может привести к потере мощности в процессе генерации обратной ЭДС (обратного диода) в двигателях или индуктивных приложениях, рекомендуется выбирать меньший VF.

Кроме того, как показано на рисунке 19, характеристики положительного и отрицательного температурного коэффициента определяются величиной прямого тока диода IF.

Характеристики термического сопротивления

На рисунке 20 показаны характеристики сопротивления IGBT по отношению к тепловым переходным процессам и встроенному диоду.

Эта характеристика используется для определения температуры перехода Tj IGBT. Ширина импульса (PW), показанная по горизонтальной оси, означает время переключения, которое определяет одиночный однократный импульс и результаты повторяющихся операций.

Например, PW = 1 мс и D = 0,2 (рабочий цикл = 20%) означает, что частота повторения составляет 200 Гц, поскольку период повторения составляет T = 5 мс.

Если представить PW = 1 мс и D = 0,2, а мощность рассеяния Pd = 60 Вт, можно определить увеличение температуры перехода IGBT ΔTj следующим образом:
ΔTj = Pd × θj – c (t) = 60 × 0,17 = 10,2

Характеристики короткого замыкания нагрузки

В приложениях, требующих мостовых схем переключения IGBT, таких как инверторы, схема защиты от короткого замыкания (перегрузки по току) становится обязательной для выдерживания и защиты от повреждений в течение времени до переключения напряжения затвора IGBT ВЫКЛ даже в ситуации короткого замыкания на выходе блока.

На рисунках 21 и 22 показано время выдержки короткого замыкания и допустимая нагрузка на ток короткого замыкания IGBT RBN40h225S1FPQ.

Эту выдерживающую способность при коротком замыкании IGBT обычно выражают относительно времени tSC.

Эта стойкость определяется главным образом на основе напряжения затвор-эмиттер IGBT, температуры корпуса и напряжения источника питания.

На это следует обратить внимание при проектировании критически важной схемы H-моста IGBT.

Кроме того, убедитесь, что выбрали устройство IGBT с оптимальными характеристиками с точки зрения следующих параметров.

1. Напряжение затвор-эмиттер VGE : С увеличением напряжения затвора ток короткого замыкания также возрастает, а пропускная способность устройства по току уменьшается.
2. Температура корпуса : С увеличением температуры корпуса ΔTj IGBT, выдерживаемая по току емкость снижается, пока устройство не дойдет до аварийной ситуации. Напряжение источника питания
3. VCC: По мере увеличения входного напряжения питания устройства ток короткого замыкания также увеличивается, что приводит к ухудшению токовой устойчивости устройства.

Кроме того, в тот момент, когда схема защиты от короткого замыкания или перегрузки определяет ток короткого замыкания и отключает напряжение затвора, ток короткого замыкания на самом деле невероятно велик, чем стандартная величина рабочего тока IGBT.

Во время процесса выключения с помощью этого значительного тока с использованием стандартного сопротивления затвора Rg это может вызвать развитие сильного скачка напряжения, превышающего номинальное значение IGBT.

По этой причине вы должны соответствующим образом выбрать сопротивление затвора IGBT, подходящее для работы в условиях короткого замыкания, как минимум в 10 раз превышающее нормальное значение сопротивления затвора (но оставаясь в пределах значения SOA прямого смещения).

Это необходимо для противодействия возникновению импульсного напряжения на выводах коллектор-эмиттер IGBT в периоды отключения тока короткого замыкания.

Кроме того, время выдержки короткого замыкания tSC может вызвать распространение скачка напряжения по другим связанным устройствам.

Необходимо обеспечить достаточный запас минимум в 2 раза превышающий стандартные временные рамки, необходимые для начала работы схемы защиты от короткого замыкания.

Максимальная температура перехода Tjmax для 175 ℃

Абсолютный максимальный рейтинг для температуры перехода большинства полупроводниковых устройств Tj составляет 150 ℃, но Tjmax = 175 ℃ устанавливается в соответствии с требованиями для устройств нового поколения, чтобы выдерживать повышенные температурные характеристики.
.
Таблица 3 показывает хороший пример условий испытаний для IGBT RBN40h225S1FPQ, который разработан, чтобы выдерживать 175 ℃ при работе при высоких температурах корпуса.

Чтобы гарантировать эффективную работу при Tjmax = 175 ℃, были улучшены многие параметры стандартного теста на согласованность при 150 ℃, и была проведена эксплуатационная проверка.

При этом полигоны разбросаны по характеристикам устройства.

Убедитесь, что вы проверили данные надежности, относящиеся к устройству, которое вы, возможно, применяете, для получения дополнительной информации.

Также помните, что значение Tjmax – это не просто ограничение для постоянной работы, а также спецификация для регулирования, которое не должно быть превышено даже на мгновение.

При переключении ВКЛ / ВЫКЛ необходимо строго соблюдать безопасность от высоких температур, даже на кратковременное время для IGBT.

Убедитесь, что вы работаете с IGBT в среде, которая никоим образом не превышает максимальную температуру корпуса при выходе из строя Tj = 175 ℃.

Потери IGBT

Потери проводимости: При питании индуктивной нагрузки через IGBT понесенные потери в основном делятся на потери проводимости и потери при переключении.

Потеря, возникающая при полном включении IGBT, называется потерей проводимости, в то время как потеря, имеющая место во время переключения IGBT из ВКЛ в ВЫКЛ или из ВЫКЛ в ВКЛ, называется потерей при переключении.

Из-за того, что потери зависят от реализации напряжения и тока, как показано в приведенной ниже формуле, потери возникают в результате воздействия напряжения насыщения коллектор-эмиттер VCE (sat), даже когда устройство находится в проводящем состоянии.

VCE (sat) должно быть минимальным, поскольку потери могут вызвать тепловыделение внутри IGBT.
Потери (P) = напряжение (В) × ток (I)
Потери при включении: P (включение) = VCE (sat) × IC

Потери при переключении: Поскольку потери IGBT могут быть серьезными для оценки с использованием времени переключения в соответствующие таблицы данных включены справочные таблицы, чтобы помочь разработчикам схем определить потери при переключении.

На рисунке 24 ниже показаны характеристики потерь переключения для IGBT RBN40h225S1FPQ.

Коэффициенты Eon и Eoff сильно зависят от тока коллектора, сопротивления затвора и рабочей температуры.

Eon (потери энергии при включении)

Объем потерь, возникающих в процессе включения IGBT для индуктивной нагрузки, вместе с потерями восстановления при обратном восстановлении диода.

Eon рассчитывается с момента, когда напряжение затвора подается на IGBT и ток коллектора начинает течь, до момента времени, когда IGBT полностью переходит во включенное состояние

Eoff (потеря энергии при выключении

Это величина потерь, возникающих в течение периода выключения для индуктивных нагрузок, которая включает в себя остаточный ток.

Eoff измеряется от точки, в которой ток затвора только что отключен, а напряжение коллектор-эмиттер начинает расти, до момента, когда IGBT достигает полностью выключенного состояния.

Резюме

Устройство на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGTB) представляет собой тип трехконтактного силового полупроводникового устройства, которое в основном используется в качестве электронного переключателя и также известно тем, что обеспечивает сочетание чрезвычайно быстрого переключения и высокой эффективности в более широком смысле. новые устройства.

БТИЗ для сильноточных приложений

В ряде современных устройств, таких как VFD (Vaiable Frequency Drives), VSF (холодильники с регулируемой скоростью), поезда, стереосистемы с переключающими усилителями, электромобили и кондиционеры, используются биполярные транзисторы с изолированным затвором. для переключения электроэнергии.

Символ режима обеднения IGBT

В случае, если в усилителях используется биполярный транзистор с изолированным затвором, часто синтезируются сложные по своей природе формы сигналов наряду с фильтрами нижних частот и широтно-импульсной модуляцией; Поскольку биполярные транзисторы с изолированным затвором в основном предназначены для быстрого и быстрого включения и выключения.

Частота повторения импульсов хвастается современными устройствами, которые состоят из приложений переключения и хорошо укладываются в ультразвуковой диапазон, т.е. частоты, которые в десять раз выше, чем самая высокая звуковая частота, обрабатываемая устройством, когда устройства используются в форме аналогового аудиоусилителя.

Полевые МОП-транзисторы, состоящие из сильноточных и обладающих характеристиками простого привода затвора, объединены с биполярными транзисторами, которые имеют низкую емкость насыщения по напряжению с помощью IGTB.

IGBT представляют собой комбинацию BJT и Mosfet

Одно устройство состоит из IGBT путем объединения биполярного силового транзистора, который действует как переключатель, и полевого транзистора с изолированным затвором, который действует как управляющий вход.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGTB) в основном используется в приложениях, которые состоят из нескольких устройств, размещенных параллельно друг другу и в большинстве случаев способных выдерживать очень высокий ток, который находится в диапазоне сотен ампер. наряду с напряжением блокировки 6000 В, которое, в свою очередь, равно сотням киловатт, используйте среднюю и высокую мощность, такую ​​как индукционный нагрев, импульсные источники питания и управление тяговым электродвигателем.Биполярные транзисторы с изолированным затвором большого размера.

IGBT – самые совершенные транзисторы

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGTB) – новое и недавнее изобретение того времени.

Было обнаружено, что устройства первого поколения, которые были изобретены и запущены в производство в 1980-х и в начале 1990-х, имеют относительно медленный процесс переключения и склонны к сбоям в различных режимах, таких как фиксация (когда устройство будет продолжать включаться и не выключаться, пока ток не будет продолжать течь через устройство), и вторичный пробой (когда, когда через устройство протекает большой ток, локализованная горячая точка, присутствующая в устройстве, переходит в тепловой разгон и, как следствие, сгорает устройство).

Было отмечено значительное улучшение устройств второго поколения и самых новых устройств на блоке, устройства третьего поколения считаются даже лучше, чем устройства первого поколения.

Новые МОП-транзисторы конкурируют с IGBT

Устройства третьего поколения состоят из МОП-транзисторов, конкурирующих по скорости, с отличными допусками и прочностью.

Устройства второго и третьего поколения имеют чрезвычайно высокую мощность импульсов, что делает их очень полезными для генерации импульсов большой мощности в различных областях, таких как физика плазмы и частицы.

Таким образом, устройства второго и третьего поколения вытеснили в основном все старые устройства, такие как искровые разрядники и тиратроны, используемые в этих областях физики плазмы и элементарных частиц.

Эти устройства также привлекают любителей высокого напряжения из-за их свойств высокой мощности импульсов и доступности на рынке по низким ценам.

Это позволяет любителю управлять огромным количеством энергии, чтобы управлять такими устройствами, как катушки и катушки Тесла.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором доступны по доступной цене и, таким образом, играют важную роль в создании гибридных автомобилей и электромобилей.

Предоставлено: Renesas

Что такое IGBT? Принцип работы, типы, приложения

Самыми популярными и часто используемыми силовыми электронными переключателями являются биполярный транзистор BJT и полевой МОП-транзистор. Мы уже подробно обсудили работу BJT и MOSFET, а также то, как они используются в схемах.Но оба этих компонента имели некоторые ограничения для использования в приложениях с очень высоким током. Итак, мы переместили еще одно популярное силовое электронное коммутационное устройство, называемое IGBT. Вы можете думать о IGBT как о слиянии BJT и MOSFET, эти компоненты имеют входные характеристики BJT и выходные характеристики MOSFET. В этой статье мы познакомимся с основами IGBT , с тем, как они работают и как использовать их в схемах.

IGBT – это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором .Это трехконтактное полупроводниковое переключающее устройство, которое может использоваться для быстрого переключения с высокой эффективностью во многих типах электронных устройств. Эти устройства в основном используются в усилителях для переключения / обработки сложных волновых паттернов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Типичный символ IGBT вместе с его изображением показан ниже.

Как упоминалось ранее, IGBT представляет собой смесь BJT и MOSFET. Символ IGBT также представляет собой то же самое, поскольку вы можете видеть, что сторона входа представляет собой полевой МОП-транзистор с выводом затвора, а сторона вывода представляет собой BJT с коллектором и эмиттером.Коллектор и Эмиттер являются выводами проводимости, а затвор – это контрольный вывод , с помощью которого управляется операция переключения.

IGBT может быть сконструирован с эквивалентной схемой, состоящей из двух транзисторов и MOSFET, поскольку IGBT обладает выходом указанной ниже комбинации транзистора PNP, транзистора NPN и MOSFET. IGBT сочетает в себе низкое напряжение насыщения транзистора с высоким входным сопротивлением и скоростью переключения полевого МОП-транзистора.Результат, полученный в результате этой комбинации, обеспечивает характеристики переключения и проводимости биполярного транзистора, но напряжение регулируется как полевой МОП-транзистор.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и BJT, они также называются разными именами. различных наименований IGBT : транзистор с изолированным затвором (IGT), транзистор с изолированным затвором и оксидом металла (MOSIGT), полевой транзистор с модулированным усилением (GEMFET), полевой транзистор с кондуктивной модуляцией (COMFET).

IGBT имеет три вывода, прикрепленных к трем различным металлическим слоям, металлический слой вывода затвора изолирован от полупроводников слоем диоксида кремния (SIO2). БТИЗ состоит из 4 слоев полупроводника, соединенных между собой. Слой ближе к коллектору – это слой подложки p + , выше, это слой n- , другой p-слой находится ближе к эмиттеру, а внутри p-слоя у нас есть n + слоев .Соединение между слоем p + и n-слоем называется переходом J2, а соединение между n-слоем и p-слоем называется переходом J1. Структура IGBT показана на рисунке ниже.

Чтобы понять работу IGBT , рассмотрим источник напряжения V _G , подключенный к клемме затвора по отношению к эмиттеру. Рассмотрим другой источник напряжения V _CC , подключенный между эмиттером и коллектором, где коллектор остается положительным по отношению к эмиттеру.Благодаря источнику напряжения V _CC переход J1 будет смещен в прямом направлении, тогда как переход J2 будет смещен в обратном направлении. Поскольку J2 имеет обратное смещение, ток не будет протекать внутри IGBT (от коллектора к эмиттеру).

Сначала учтите, что на клемму Gate не подается напряжение, на этом этапе IGBT будет в непроводящем состоянии. Теперь, если мы увеличим приложенное напряжение затвора, из-за эффекта емкости на слое SiO2 отрицательные ионы будут накапливаться на верхней стороне слоя, а положительные ионы будут накапливаться на нижней стороне слоя SiO2.Это вызовет вставку отрицательно заряженных носителей в p-область, чем выше приложенное напряжение V _G , тем больше вставка отрицательно заряженных носителей. Это приведет к образованию канала между переходом J2, который позволяет протеканию тока от коллектора к эмиттеру . Прохождение тока представлено как путь тока на рисунке, когда приложенное напряжение затвора V _G увеличивает количество тока, протекающего от коллектора к эмиттеру, также увеличивается.

GBT доступны в разных типах пакетов с разными названиями от разных компаний. Например, Infineon Technologies предлагает пакеты для сквозного монтажа и для поверхностного монтажа.

• Пакет сквозного типа включает TO-262, TO-251, TO-273, TO-274, TO-220, TO-220-3 FP, TO-247, TO-247AD. В комплект для поверхностного монтажа входят ТО-263, ТО-252.

IGBT классифицируется как два типа на основе буферного слоя n +, IGBT, которые имеют буферный слой n +, называются Punch through IGBT (PT-IGBT) , IGBT, которые не имеют буферного слоя n +, называются без пробивки на сквозной IGBT (NPT-IGBT).

Исходя из своих характеристик, NPT-IGBT и PT-IGBT называются симметричными и несимметричными IGBT. Симметричные IGBT – это те, которые имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя. Асимметричные IGBT – это те, которые имеют обратное напряжение пробоя меньше, чем прямое напряжение пробоя. Симметричные IGBT в основном используются в цепях переменного тока, тогда как асимметричные IGBT в основном используются в цепях постоянного тока, поскольку им не нужно поддерживать напряжение в обратном направлении.

Разница между пробивкой через IGBT (PT-IGBT) и без пробивки через IGBT (NPT-IGBT)

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию BJT и MOSFET, давайте рассмотрим их работу в виде принципиальной схемы.На приведенной ниже диаграмме показана внутренняя схема IGBT , которая включает в себя два BJT, один MOSFET и JFET. Контакты затвора, коллектора и эмиттера IGBT отмечены ниже.

Коллектор транзистора PNP соединен с транзистором NPN через JFET, JFET соединяет коллектор транзистора PNP и базу транзистора PNP. Эти транзисторы скомпонованы таким образом, чтобы формировать паразитный тиристор, созданный для создания контура отрицательной обратной связи .Резистор RB помещается так, чтобы закоротить выводы базы и эмиттера NPN-транзистора, чтобы гарантировать, что тиристор не защелкивается, что приводит к защелкиванию IGBT. JFET, используемый здесь, будет обозначать структуру тока между любыми двумя ячейками IGBT, позволяет использовать MOSFET и поддерживает большую часть напряжения.

Характеристики переключения IGBT

IGBT – это устройство , управляемое напряжением, , поэтому ему требуется только небольшое напряжение на затвор, чтобы оставаться в состоянии проводимости.А поскольку это однонаправленные устройства, они могут переключать ток только в прямом направлении, то есть от коллектора к эмиттеру. Типичная схема переключения IGBT показана ниже, напряжение затвора V _G подается на штырь затвора для переключения двигателя (M) с напряжения питания V +. Резистор Rs примерно используется для ограничения тока через двигатель.

Входные характеристики IGBT можно понять из приведенного ниже графика. Первоначально, когда на вывод затвора не подается напряжение, IGBT находится в выключенном состоянии, и ток не течет через вывод коллектора.Когда напряжение, приложенное к выводу затвора, превышает пороговое напряжение , IGBT начинает проводить, и ток коллектора I _G начинает течь между выводами коллектора и эмиттера. Коллекторный ток увеличивается относительно напряжения затвора, как показано на графике ниже.

Выходные характеристики IGBT имеют три ступени. Первоначально, когда напряжение затвора V _GE равно нулю, устройство находится в выключенном состоянии, это называется областью отсечки .Когда V _GE увеличивается и если оно меньше, чем пороговое напряжение , то через устройство будет протекать небольшой ток утечки, но устройство все равно будет находиться в области отсечки. Когда напряжение V _GE превышает пороговое значение, устройство переходит в активную область , и ток начинает течь через устройство. Протекание тока будет увеличиваться с увеличением напряжения V _GE , как показано на графике выше.

БТИЗ используются в различных приложениях, таких как приводы двигателей переменного и постоянного тока,

• Нерегулируемый источник питания (ИБП),
• Импульсные источники питания (SMPS),
• управление тяговым двигателем и индукционным нагревом,
Инверторы
• , используемые для объединения полевого транзистора с изолированным затвором для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве переключателя в одном устройстве и т. Д.

Как выбрать или купить шунтирующий фильтр активной мощности