Транзистор igbt принцип работы: IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

В настоящее время в электронике имеют большую популярность IGBT транзисторы. Если расшифровать эту аббревиатуру с английского языка, то это биполярный транзистор с изолированным затвором. Он применяется в виде электронного мощного ключа для систем управления приводами механизмов, в источниках питания.

IGBT транзисторы

Этот силовой транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.

Наибольшей популярностью пользуются IGBT в силовых цепях преобразователей частоты и электродвигателей переменного тока мощностью до 1 мегаватта. По вольтамперным свойствам эти транзисторы аналогичны биполярным моделям полупроводников, но качество и чистота коммутации у них намного больше.

Современные технологии изготовления дают возможность оптимизировать транзисторы по функциональным характеристикам. Уже разработаны полупроводники, способные работать при большем напряжении и величине тока.

Основные параметры

• Управляющее напряжение – это разность потенциалов, способная управлять работой затвора.
• Наибольший допустимый ток.
• Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.
• Ток отсечки эмиттер-коллектор.
• Напряжение насыщения эмиттер-коллектор.
• Входная емкость.
• Выходная емкость.
• Паразитная индуктивность.
• Период задержки подключения.
• Период задержки выключения.
• Внутреннее сопротивление.

В регуляторах скорости применяются IGBT транзисторы с рабочей частотой в несколько десятков кГц.

Достоинства

• Простая параллельная схема.
• Отсутствие потерь.
• Повышенная плотность тока.
• Устойчивость к замыканиям.
• Малые потери в открытом виде.
• Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).
• Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).

При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:

• Правильный подбор тока защиты.
• Выбор сопротивления затвора.
• Использование обходных путей коммутации.

Устройство и работа

Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.

 

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:

• При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.
• Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.

 

IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению. Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:

• С помощью привязки к определенному значению напряжения. Это достигается тогда, когда драйвер затвора имеет постоянное напряжение. Главным способом является добавление в схему диода, имеющего малое падение напряжения (диод Шоттки). Значительный эффект получается путем уменьшения индуктивности цепи затвора и питания.
• Ограничение значения напряжения затвора путем использования стабилитрона в схеме затвора и эмиттера. Неплохая эффективность получается за счет установки диодов к дополнительным клеммам модуля. Диоды применяются с малым разбросом и температурной зависимостью.
• Подключение в цепь отрицательной обратной связи эмиттера. Такой способ доступен, когда подключен эмиттер драйвера затвора к клеммам эмиттера модуля.

Сфера использования

IGBT транзисторы чаще всего работают в сетях высокого напряжения до 6,5 киловольт для надежной и безопасной работы электроустановок в аварийном режиме при коротких замыканиях.

Вышеперечисленные свойства транзисторов дают возможность использовать их в частотно-регулируемых приводах, инверторах, импульсных регуляторах тока, а также в сварочных аппаратах.

Также IGBT применяются в системах мощных приводов управления электровозов, троллейбусов. Это повышает КПД и создает повышенную плавность хода.

Силовые транзисторы широко используются в цепях высокого напряжения. Они входят в состав схем посудомоечных машин, бытовых кондиционеров, автомобильного зажигания, блоков питания телекоммуникационного оборудования.

Проверка исправности

IGBT транзисторы проверяются в случаях ревизии при неисправностях электрического устройства. Проверку проводят с помощью мультитестера путем прозвонки электродов эмиттера и коллектора в двух направлениях, чтобы проверить отсутствие замыкания. Емкость входа эмиттер-затвор необходимо зарядить отрицательным напряжением. Это делается кратковременным касанием щупа мультиметра «СОМ» затвора и щупа «V/Ω/f» эмиттера.

Чтобы произвести проверку, нужно убедиться, работает ли в нормальном режиме транзистор. Для этого зарядим емкость на входе эмиттер-затвор положительным полюсом.  Это делается коротким касанием щупа «V/Ω/f» затвора, а щупа «СОМ» эмиттера. Контролируется разность потенциалов эмиттера и коллектора, которая не должна превышать 1,5 вольта. Если напряжения тестера не хватит для открывания транзистора, то входную емкость можно зарядить от питания напряжением до 15 вольт.

Условное обозначение

Транзисторы имеют комбинированную структуру, то и обозначения у них соответствующие:

IGBT модули

Силовые транзисторы производятся не только в виде отдельных полупроводников, но и в виде модулей. Такие модули входят в состав частотных преобразователей для управления электромоторами.

Схема преобразователя частоты имеет технологичность изготовления выше, если в состав входят модули IGBT транзисторов. На изображенном модуле выполнен мост из двух силовых транзисторов.

IGBT транзисторы нормально функционируют при рабочей частоте до 50 кГц. Если частоту повышать, то повышаются и потери. Свои возможности силовые транзисторы проявляют максимально при напряжении выше 400 В. Поэтому такие транзисторы часто встречаются в мощных электрических приборах высокого напряжения, а также в промышленном оборудовании.

Из истории возникновения

Полевые транзисторы стали появляться в 1973 году. Затем разработали составной транзистор, который оснастили управляемым транзистором с помощью полевого полупроводника с затвором.

Первые силовые транзисторы имели недостатки, выражавшиеся в медленном переключении, низкой надежностью. После 90 годов и по настоящее время эти недостатки устранены. Силовые полупроводники имеют повышенное входное сопротивление, малый уровень управляющей мощности, малый показатель остаточного напряжения.

Сейчас существуют модели транзисторов, способных коммутировать ток до нескольких сотен ампер, с рабочим напряжением в тысячи вольт.

Похожие темы:

Igbt транзисторы принцип работы

Принцип работы силовых IGBT транзисторов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором широко используются в силовой электронике. Это надежные и недорогие компоненты, управляющиеся путем подачи напряжения на изолированный от цепи элемент. IGBT — транзистор, принцип работы которого чрезвычайно прост. Используется он в инверторах, системах управления электроприводами и импульсных источниках питания.

Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции.

К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:

• Максимально допустимый ток.
• Показатель управляющего напряжения.
• Внутреннее сопротивление.
• Период задержки подключения и выключения.
• Паразитная индуктивность.
• Входная и выходная емкость.
• Напряжение насыщения у эмиттера и коллектора.
• Ток отсечки эмиттера.
• Напряжение пробоя коллектора и эмиттера.

Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности. 

Преимущества и недостатки

Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик.

Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами, характеристиками и многочисленными преимуществами:

• Возможность эксплуатации с высокой мощностью и повышенным напряжением.
• Работа при высокой температуре.
• Минимальные потери тока в открытом виде.
• Устойчивость к короткому замыканию.
• Повышенная плотность.
• Практически полное отсутствие потерь.
• Простая параллельная схема.

К недостаткам IGBT относят их высокую стоимость, что приводит к некоторому увеличению расходов на изготовление электроприборов и мощных блоков питания. При планировании схемы подключения с транзисторами этого типа необходимо учитывать имеющиеся ограничения по показателю максимально допустимого тока.

Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:

• Использование обходного пути коммутации.
• Выбор сопротивления затвора.
• Правильный подбор показателей тока защиты.

Электросхемы устройств должны разрабатывать исключительно профессионалы, что позволит обеспечить правильность работы техники, отсутствие коротких замыканий и других проблем с электроприборами. При наличии качественной схемы подключения, реализовать ее не составит труда, выполнив своими руками силовой блок, питание и различные устройства.

Устройство и принцип работы

Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

• К — коллектор.
• Э — эмиттер.
• З — затвор.

Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.

Основным назначением IGBT транзисторов является их приближение к безопасному значению токов замыкания. Такие токи могут ограничивать напряжение затвора различными методами.

Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.

Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.

В цепь может включаться эмиттер с отрицательной обратной связью. Подобное возможно в тех случаях, когда драйвер затвора подключён к клеммам модуля.

Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов. Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.

Сфера использования

Сегодня IGBT транзисторы применяются в сетях с показателем напряжения до 6,5 кВт, обеспечивая при этом безопасную и надежную работу электрооборудования. Имеется возможность использования инвертора, частотно регулируемых приводов, сварочных аппаратов и импульсных регуляторов тока.

Сверхмощные разновидности IGBT используются в мощных приводах управления троллейбусов и электровозов. Их применение позволяет повысить КПД, обеспечив максимально возможную плавность хода техники, оперативно управляя выходом электродвигателей на их полную мощность. Силовые транзисторы применяются в цепях с высоким напряжением. Они используются в схемах бытовых кондиционеров, посудомоечных машин, блоков питания в телекоммуникационном оборудовании и в автомобильном зажигании.

ВИДЕО В ПОМОЩЬ:

//www.youtube.com/embed/WKtaOiLwIWQ

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

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.

Как проверить IGBT транзистор, принцип работы IGBT.

Принцип работы IGBT транзисторов основан на применении n-канального МОП-транзистора малой мощности для управления мощным биполярным транзистором. Таким образом, удалось совместить достоинства биполярного и полевого транзистора. Малая управляющая мощность, высокое входное сопротивление, большой уровень пробивных напряжений, малое сопротивление в открытом состоянии – позволяют применять IGBT в цепях с высокими напряжениями и большими токами.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT или БТИЗ) целесообразно использовать в сильноточных, высоковольтных ключевых схемах. Сварочные аппараты, источники бесперебойного питания, приводы электрических двигателей, мощные преобразователи напряжения – вот сфера применения таких элементов.

Названия выводов IGBT: затвор, эмиттер, коллектор.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором способны коммутировать токи в тысячи ампер, напряжение эмиттер-коллектор может достигать несколько киловольт. Но частота работы этих транзисторов значительно ниже, чем частота полевых транзисторов.

Как проверить IGBT транзистор мультиметром

Проверяется IGBT FGh50N60SFD. IGBT часто пробиваются накоротко, такие неисправные транзисторы легко выявить с помощью мультиметра. Перед проверкой IGBT транзистора мультиметром, необходимо обратиться к справочным данным и выяснить назначение его выводов.

Затем произвести следующие действия:

1. Переключить мультиметр в режим «прозвонка». Произвести измерение между затвором и эмиттером для выявления возможного замыкания.

2. Произвести измерение между затвором и коллектором для выявления возможного замыкания.

3. На секунду замкнуть пинцетом или перемычкой эмиттер и затвор. После этого транзистор будет гарантированно закрыт.

4. Соединить щуп мультиметра «V/Ω» с эмиттером, щуп «СОМ» с коллектором. Мультиметр должен показать падение напряжения на внутреннем диоде.

5. Соединить щуп мультиметра «V/Ω» с коллектором, щуп «СОМ» с эмиттером. Мультиметр должен показать отсутствие замыкания и утечки.

Для более надежной проверки IGBT транзистора можно собрать следующую схему:

При замыкании контактов кнопки лампочка должна загораться, при размыкании – тухнуть.

В этом видео показано как проверить IGBT мультиметром:

Опубликовано 05.11.2016

IGBT транзисторы принцип работы – Все об электричестве

Электронная техника: биполярные транзисторы с изолированным затвором: конструкция, принцип действия, параметры

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) – по-английски «insulated gate bipolar transistor» или сокращённо IGBT – это компонент, управление которым, как полевым транзистором, осуществляют напряжением, а протекание тока по силовым выводам коллектора и эмиттера обусловлено, как у биполярного транзистора, движением носителей зарядов обоих типов. В едином технологическом цикле в полупроводнике организуют структуры мощного биполярного p-n-p транзистора, которым управляет МОП-транзистор малой мощности, имеющий n-канал. Выводы БТИЗ носят названия затвора, коллектора и эмиттера.

Достоинства: возможность коммутации токов в тысячи ампер и допустимость прикладывания постоянного напряжения коллектор-эмиттер в несколько киловольт к запертому транзистору. Если напряжение коллектор-эмиттер запертого БТИЗ превышает приблизительно 600В, то падающее на выводах коллектор-эмиттер открытого БТИЗ напряжение насыщения обычно меньше по сравнению с полевыми транзисторами той же ценовой группы.

Недостатки: даже наименее инерционные БТИЗ предназначены для функционирования на много более низкой частоте, нежели полевые транзисторы, причём чем выше частота, тем ниже максимально допустимая амплитуда тока коллектора транзистора.

При этом БТИЗ по частотным свойствам подразделяют на группы. При изготовлении БТИЗ помимо необходимого биполярного p-n-p транзистора возникает ещё и паразитный биполярный n-p-n транзистор, и они совместно образуют структуру тиристора.

Это отражено на эквивалентной схеме БТИЗ, изображённой на рис. 6.1, где компонент VT2 – это паразитный транзистор.

При высокой скорости переключения компонента или при протекании по выводам коллектор-эмиттер короткого импульса тока большой амплитуды и прочего структура тиристора в БТИЗ может самопроизвольно перейти в открытое состояние. При этом БТИЗ теряет управляемость, и транзистор, как и устройство, в котором он работал, могут выйти из строя.

Прикладывая отпирающее напряжение к выводам затвор-эмиттер, БТИЗ из отсечки переводят в состояние насыщения, сопротивление коллектор-эмиттер падает, и по этим выводам течёт ток нагрузки. Если напряжение затвор-эмиттер отсутствует, то транзистор имеет состояние отсечки, в котором ток через выводы коллектор-эмиттер практически отсутствует.

Таким образом, БТИЗ – это полностью управляемые компоненты. Современные силовые модули БТИЗ выдерживают прямой ток коллектора силой до 1,8 кА, напряжение коллектор-эмиттер в закрытом состоянии до 4,5 кВ.

БТИЗ обычно используют в качестве электронных ключей в импульсных преобразователях, например, инверторных сварочных аппаратов, в системах управления электродвигателями и т.д.

6.2. Конструкция и принцип действия БТИЗ

Простейшая структура БТИЗ планарного исполнения отражена на рис. 6.2.

Из рисунка видно, что на металлическом основании, к которому присоединён вывод коллектора, расположена подложка p+, а на ней находятся два n-слоя. Эти слои понижают коэффициент усиления p-n-p структуры мощного биполярного транзистора. Ближайший к подложке n+-слой необходим для снижения вероятности самопроизвольного отпирания тиристорной структуры.

Более удалённый от подложки n–-слой претворяют в жизнь эпитаксиальным наращиванием или другими способами. Подложка p+ играет роль эмиттера биполярного p-n-p транзистора, область n–-слоя – его базы, а область p-типа, к которой подключают вывод эмиттера БТИЗ, – его коллектора.

Над n–-слоем расположена p-область, которая выполняет функцию канала управляющего МОП-транзистора, затвор которого выполнен из поликристаллического кремния и изолирован от полупроводника эмиттерной области слоем оксида SiO2.

В этой канальной p-области размещены n+-зоны, которые выступают в качестве стока МОП-транзистора, а его истоком служит n–-область. Затвор структуры МОП-транзистора соединён с выводом затвора БТИЗ.

Если на затвор БТИЗ относительно эмиттера подать напряжение положительной полярности, отпирающее компонент, то это приведёт вначале к открыванию под воздействием электрического поля структуры МОП-транзистора и инжекции электронов в её канал.

В результате возникает инжекция носителей заряда в n–-слой, служащий базой структуры биполярного p-n-p транзистора, которая переходит в состояние насыщения. Таким образом, вначале происходит отпирание структуры МОП-транзистора, а лишь затем структуры биполярного p-n-p транзистора.

Сопротивление коллектор-эмиттер открытого БТИЗ имеет очень малую величину, а по выводу коллектора компонента течёт ток нагрузки.

Если убрать поданное ранее отпирающее напряжение на выводы затвор-эмиттер БТИЗ, то канал в структуре МОП-транзистора исчезает, в n–-слое происходит снижение концентрации носителей зарядов ввиду рекомбинации. Рекомбинация – процесс не мгновенный; пока она идет, транзистор не закрыт. Лишь по завершении рекомбинации БТИЗ переходит в состояние отсечки.

6.3. Основные параметры БТИЗ

К наиболее важным параметрам IGBT относят следующее:

• Длительность включения и выключения транзистора, мкс.
• Ёмкости затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер и затвор-коллектор при заданном напряжении коллектор-эмиттер, нФ.
• Заряд затвора транзистора, нКл.
• Максимально допустимую температуру нагрева кристалла транзистора, °C.
• Максимальную мощность рассеяния, Вт.
• Напряжение насыщения, т.е. напряжение между выводами коллектор-эмиттер открытого транзистора, В.
• Предельно допустимый импульсный ток коллектора при температуре 25 °C, А.
• Предельно допустимый постоянный ток коллектора при температуре 25 °C, А.
• Предельную скорость нарастания напряжения, не приводящую к самопроизвольному открыванию транзистора, dU / dt.
• Тепловое сопротивление переход-корпус, °C / Вт.
• Энергии включения, выключения и переключения, мДж.

Источник: http://moskatov.narod.ru/Books/The_electronic_technics/IGBT.html

IGBT транзисторы: принцип работы, разновидности полупроводников, основные параметры силовых компонентов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором широко используются в силовой электронике. Это надежные и недорогие компоненты, управляющиеся путем подачи напряжения на изолированный от цепи элемент. IGBT — транзистор, принцип работы которого чрезвычайно прост. Используется он в инверторах, системах управления электроприводами и импульсных источниках питания.

Первые полевые транзисторы были разработаны в 1973 году, а уже спустя 6 лет появились управляемые биполярные модели, в которых использовался изолированный затвор. По мере совершенствования технологии существенно улучшились показатели экономичности и качества работы таких элементов, а с развитием силовой электроники и автоматических систем управления они получили широкое распространение, встречаясь сегодня практически в каждом электроприборе.

Сегодня используются электронные компоненты второго поколения, которые способны коммутировать электроток в диапазоне до нескольких сотен Ампер. Рабочее напряжение у IGBT — транзисторов колеблется от сотен до тысячи Вольт. Совершенствующие технологии изготовления электротехники позволяют выполнять качественные транзисторы, обеспечивающие стабильную работу электроприборов и блоков питания.

Основные характеристики

Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции. К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:

• Максимально допустимый ток.
• Показатель управляющего напряжения.
• Внутреннее сопротивление.
• Период задержки подключения и выключения.
• Паразитная индуктивность.
• Входная и выходная емкость.
• Напряжение насыщения у эмиттера и коллектора.
• Ток отсечки эмиттера.
• Напряжение пробоя коллектора и эмиттера.

Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности. В регуляторах скорости применяются IGBT с частотой в десятки тысяч кГц, что позволяет обеспечить максимально возможную точность работы приборов.

Преимущества и недостатки

Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик. Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами, характеристиками и многочисленными преимуществами:

• Возможность эксплуатации с высокой мощностью и повышенным напряжением.
• Работа при высокой температуре.
• Минимальные потери тока в открытом виде.
• Устойчивость к короткому замыканию.
• Повышенная плотность.
• Практически полное отсутствие потерь.
• Простая параллельная схема.

К недостаткам IGBT относят их высокую стоимость, что приводит к некоторому увеличению расходов на изготовление электроприборов и мощных блоков питания. При планировании схемы подключения с транзисторами этого типа необходимо учитывать имеющиеся ограничения по показателю максимально допустимого тока. Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:

• Использование обходного пути коммутации.
• Выбор сопротивления затвора.
• Правильный подбор показателей тока защиты.

Электросхемы устройств должны разрабатывать исключительно профессионалы, что позволит обеспечить правильность работы техники, отсутствие коротких замыканий и других проблем с электроприборами. При наличии качественной схемы подключения, реализовать ее не составит труда, выполнив своими руками силовой блок, питание и различные устройства.

Устройство и принцип работы

Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

• К — коллектор.
• Э — эмиттер.
• З — затвор.

Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.

Основным назначением IGBT транзисторов является их приближение к безопасному значению токов замыкания. Такие токи могут ограничивать напряжение затвора различными методами.

Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.

Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.

В цепь может включаться эмиттер с отрицательной обратной связью. Подобное возможно в тех случаях, когда драйвер затвора подключён к клеммам модуля.

Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов. Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.

Сфера использования

Сегодня IGBT транзисторы применяются в сетях с показателем напряжения до 6,5 кВт, обеспечивая при этом безопасную и надежную работу электрооборудования. Имеется возможность использования инвертора, частотно регулируемых приводов, сварочных аппаратов и импульсных регуляторов тока.

Сверхмощные разновидности IGBT используются в мощных приводах управления троллейбусов и электровозов. Их применение позволяет повысить КПД, обеспечив максимально возможную плавность хода техники, оперативно управляя выходом электродвигателей на их полную мощность. Силовые транзисторы применяются в цепях с высоким напряжением. Они используются в схемах бытовых кондиционеров, посудомоечных машин, блоков питания в телекоммуникационном оборудовании и в автомобильном зажигании.

Проверка исправности

Ревизия и тестирование IGBT полупроводников выполняется при наличии неисправностей электрических устройств. Такую проверку проводят с использованием мультитестера, прозванивая коллекторы и электроды с эмиттером в двух направлениях. Это позволит установить работоспособность транзистора и исключит отсутствие замыкания. При проверке необходимо отрицательно зарядить вход затвора, используя щупы мультиметров типа COM .

Для проверки правильности работы транзистора на входе и выходе затвора заряжают ёмкость положительным полюсом. Выполняется такая зарядка за счёт кратковременного касания щупом затвора, после чего проверяется разность потенциала коллектора и эмиттера. Данные потенциалов не должны иметь расхождение более 1,5 Вольта. Если тестируется мощный IGBT, а тестера не будет хватать для положительного заряда, на затвор подают напряжение питания до 15 Вольт.

Мощные модули

Силовые транзисторы изготавливаются не только отдельными полупроводниками, но и уже собранными готовыми к использованию модулями. Такие приспособления входят в состав мощных частотных преобразователей в управлении электромоторами. В каждом конкретном случае схема и принцип работы модуля будут различаться в зависимости от его типа и предназначения. Чаще всего в таких устройствах используется мост, выполненный на основе двух силовых транзисторов.

Стабильная работа IGBT обеспечивается при частоте 150 килогерц. При повышении рабочей частоты могут увеличиваться потери, что отрицательно сказывается на стабильности электроприборов. Силовые транзисторы все свои преимущества и возможности проявляют при использовании с напряжением более 400 Вольт. Поэтому такие полупроводники чаще всего применяют в промышленном оборудовании и электроприборах высокого напряжения.

Источник: https://220v.guru/elementy-elektriki/tranzistory/princip-raboty-silovyh-igbt-tranzistorov.html

Транзистор IGBT-принцип работы, структура, основные характеристики

Силовой транзистор IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод-«затвор», который изолирован от силовой цепи. Полное название прибора: биполярный транзистор с изолированным затвором.

Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.

Рис. №1. Эффективность использования технологий на основе мощных IGBT-транзисторов

Преобладающее значение приобрело его использование в цепях силового предназначения для частотных преобразователей, для двигателей переменного тока, мощность, которых может доходить до 1 МВт. По своим вольтамперным характеристикам он считается аналогом биполярному транзистору, однако качественные энергетические показатели и чистота коммутационных действий намного выше, чем качество работы других полупроводниковых элементов.

Постоянно совершенствующиеся технологии позволяют улучшить качественные характеристики транзисторов. Созданы элементы, рассчитанные на большую величину напряжения, выше 3 кВ и большие значения тока до нескольких сотен ампер.

Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов

• Напряжение управления – это разрешенная проводимость, которая отпирает или запирает прибор.
• Открытое проводящее состояние характеризуется падением напряжения, определяемым пороговым напряжением и внутренним сопротивлением, величина максимально допустимого тока.

Для применения в конструкции регуляторов скорости используются транзисторы, рассчитанные на рабочие частоты в пределах до нескольких десятков килогерц.

Преимущества IGBT транзисторов

• Высокая плотность тока.
• Практически отсутствие потерь статического и динамического типа.
• Отсутствие управляющего тока позволяет не прибегать к использованию гальванически изолированных схем для работы и управления с применением дискретных элементов и предоставляет возможность создания интегральных схем – драйверов.
• Стойкость к воздействию короткого замыкания.
• Относительная простота параллельного соединения.

При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока.

Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT.

Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-.

Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Применение IGBT-транзистора

Одной из важных сфер использования солового транзистора – это использование в сетях с напряжением 6,5 кВ для создания безопасной и гарантированно надежной работы электроустановок в режиме короткого замыкания.

Для ограничения токов к. з. и приближению их к величине, которая не приведет к повреждениям оборудования. Они выполняют ограничение напряжения на затворе до уровня, не превышающем U = 15,3В. Это достигается с помощью применения следующих мер:

1. Ограничение величины напряжения на затворе с помощью привязки к фиксированному уровню напряжения. Это возможно в том случае, если драйвер затвора обладает источником стабильного напряжения. Основной способ -добавление в схему диода с малым падением напряжения, например, диод Шотки. Высокая эффективность меры достигается снижением индуктивности цепи между клеммами источника и затвора.
2. Ограничение значения напряжения на затворе с помощью присоединения в цепь между эмиттером и затвором — стабилитрона. Эффективность метода достигается максимально приближенным монтажом диодов к вспомогательным клеммам модуля. Для этой цели должны использоваться диоды с очень маленьким температурным дрейфом и разбросом, примером могут служить диоды ограничивающие переходные напряжения (диоды типа: 1,5КЕ6,8Са и 1,5КЕ7,5СА двунаправленные).
3. Включение в схему отрицательной эмиттерной обратной связи. Этот метод возможен после подключения эмиттера драйвера затвора к основным клеммам эмиттера модуля. Эмиттерная связь обратного действия способствует эффективному ограничению напряжения на затворе.

Примеры расчета IGBT-транзистора

Выбор транзистора производится по следующим условиям, например, для преобразователей напряжения с резонансным контуром.

• Транзистор должен переключался при значении нулевого тока.
• Форма токовой синусоиды относительно силовых ключей должна быть аналогична к собственной частоте контура и составляет 100 кГц.
• Амплитуда тока должна соответствовать средней мощности, например, как 40 А к 2000 Вт.
• Определение максимального значения напряжения и максимальной частоты переключения транзисторов при условии, что плечи транзисторов должны работать в противофазе.

Для подбора драйвера IGBT транзистора руководствуются параметрами управления затвора, необходимого для коммутирования отпиранием и запиранием силового полупроводника. Для определения мощности управления нужно знать величину заряда затвора Q gate, частоту коммутации (fin) и реальный замеренный размах напряжения на выходе драйвера ΔVgate

Формула заряда затвора:

где время интегрирования должно не превышать время на управление выходных напряжений драйвера до их окончательных показателей, или при достижении выходного токового значения драйвера близкого к нулю.

Выбор максимальной величины тока управления  затвором определяется по упрощенной формуле:

Зависит от осцилляции величины тока на выходе. Если осцилляция тока управления затвором есть, то значение пикового тока должно быть очень большим, а его величина должна определяться исключительно с помощью измерения.

Не менее важны условия учета размаха выходного напряжения. Наихудший случай – это максимальное значение размаха на затворе, измеряется по реально существующей схеме.

Необходим учет максимальной рабочей температуры, руководствуются значением характерным для условия естественной конверсии без использования принудительного охлаждения.

Максимальная частота коммутации, она должна быть максимально-допустимая. На выбор оказывает влияние результирующая выходная мощность и рассеиваемая мощность резистора, используемого в цепи затвора.

Максимальный ток управления зависит от величины пикового тока, который может протекать через реальный контур управления затвором без появления осцилляций.

Проверка мощных IGBT-транзисторов

Проверка силового транзистора возникает при необходимости ревизии сгоревшего транзистора, например, при ремонте сгоревшего сварочного аппарата или с целью подбора пары для устройства, с тем, чтобы убедится, что это не «перемаркер».

Проверку осуществляем с помощью мультиметра: прозваниваем вывода коллектора и эмиттера в обоих направлениях, так мы убедимся в отсутствии короткого замыкания. Входную емкость затвор-эмиттер заряжаем отрицательным напряжением.

Осуществляется с помощью кратковременного и одновременного прикосновения щупом «СОМ» мультиметра затвора и щупом от гнезда «V/Ω/f» — эмиттера.

Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.

Для проверки необходимо убедиться в рабочей функциональности транзистора. Заряжаем емкость на входе затвор-эмитер положительным напряжением. Это можно сделать, коротко прикоснувшись щупом мультиметра «V/Ω/f» — затвора, к щупу«СОМ» — эмиттера.

Проверяем напряжение между коллектором и змиттером, оно должно быть не больше 1,5В, меньшая величина напряжения характерна для низковольтных транзисторов.

Если напряжения мультиметра не хватает для открытия и проверки транзистора, входная емкость может заряжаться от источника постоянного напряжения со значением до 15 в.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Источник: https://elektronchic.ru/elektronika/tranzistor-igbt.html

IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

В настоящее время в электронике имеют большую популярность IGBT транзисторы. Если расшифровать эту аббревиатуру с английского языка, то это биполярный транзистор с изолированным затвором. Он применяется в виде электронного мощного ключа для систем управления приводами механизмов, в источниках питания.

Этот силовой транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.

Наибольшей популярностью пользуются IGBT в силовых цепях преобразователей частоты и электродвигателей переменного тока мощностью до 1 мегаватта. По вольтамперным свойствам эти транзисторы аналогичны биполярным моделям полупроводников, но качество и чистота коммутации у них намного больше.

Современные технологии изготовления дают возможность оптимизировать транзисторы по функциональным характеристикам. Уже разработаны полупроводники, способные работать при большем напряжении и величине тока.

Основные параметры

• Управляющее напряжение – это разность потенциалов, способная управлять работой затвора.
• Наибольший допустимый ток.
• Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.
• Ток отсечки эмиттер-коллектор.
• Напряжение насыщения эмиттер-коллектор.
• Входная емкость.
• Выходная емкость.
• Паразитная индуктивность.
• Период задержки подключения.
• Период задержки выключения.
• Внутреннее сопротивление.

В регуляторах скорости применяются IGBT транзисторы с рабочей частотой в несколько десятков кГц.

Достоинства

• Простая параллельная схема.
• Отсутствие потерь.
• Повышенная плотность тока.
• Устойчивость к замыканиям.
• Малые потери в открытом виде.
• Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).
• Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).

При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:

• Правильный подбор тока защиты.
• Выбор сопротивления затвора.
• Использование обходных путей коммутации.

Устройство и работа

Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:

• При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.
• Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.

IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению. Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:

• С помощью привязки к определенному значению напряжения. Это достигается тогда, когда драйвер затвора имеет постоянное напряжение. Главным способом является добавление в схему диода, имеющего малое падение напряжения (диод Шоттки). Значительный эффект получается путем уменьшения индуктивности цепи затвора и питания.
• Ограничение значения напряжения затвора путем использования стабилитрона в схеме затвора и эмиттера. Неплохая эффективность получается за счет установки диодов к дополнительным клеммам модуля. Диоды применяются с малым разбросом и температурной зависимостью.
• Подключение в цепь отрицательной обратной связи эмиттера. Такой способ доступен, когда подключен эмиттер драйвера затвора к клеммам эмиттера модуля.

Сфера использования

IGBT транзисторы чаще всего работают в сетях высокого напряжения до 6,5 киловольт для надежной и безопасной работы электроустановок в аварийном режиме при коротких замыканиях.

Вышеперечисленные свойства транзисторов дают возможность использовать их в частотно-регулируемых приводах, инверторах, импульсных регуляторах тока, а также в сварочных аппаратах.

Также IGBT применяются в системах мощных приводов управления электровозов, троллейбусов. Это повышает КПД и создает повышенную плавность хода.

Силовые транзисторы широко используются в цепях высокого напряжения. Они входят в состав схем посудомоечных машин, бытовых кондиционеров, автомобильного зажигания, блоков питания телекоммуникационного оборудования.

Проверка исправности

IGBT транзисторы проверяются в случаях ревизии при неисправностях электрического устройства. Проверку проводят с помощью мультитестера путем прозвонки электродов эмиттера и коллектора в двух направлениях, чтобы проверить отсутствие замыкания. Емкость входа эмиттер-затвор необходимо зарядить отрицательным напряжением. Это делается кратковременным касанием щупа мультиметра «СОМ» затвора и щупа «V/Ω/f» эмиттера.

Чтобы произвести проверку, нужно убедиться, работает ли в нормальном режиме транзистор. Для этого зарядим емкость на входе эмиттер-затвор положительным полюсом.  Это делается коротким касанием щупа «V/Ω/f» затвора, а щупа «СОМ» эмиттера. Контролируется разность потенциалов эмиттера и коллектора, которая не должна превышать 1,5 вольта. Если напряжения тестера не хватит для открывания транзистора, то входную емкость можно зарядить от питания напряжением до 15 вольт.

IGBT модули

Силовые транзисторы производятся не только в виде отдельных полупроводников, но и в виде модулей. Такие модули входят в состав частотных преобразователей для управления электромоторами.

Схема преобразователя частоты имеет технологичность изготовления выше, если в состав входят модули IGBT транзисторов. На изображенном модуле выполнен мост из двух силовых транзисторов.

IGBT транзисторы нормально функционируют при рабочей частоте до 50 кГц. Если частоту повышать, то повышаются и потери. Свои возможности силовые транзисторы проявляют максимально при напряжении выше 400 В. Поэтому такие транзисторы часто встречаются в мощных электрических приборах высокого напряжения, а также в промышленном оборудовании.

Из истории возникновения

Полевые транзисторы стали появляться в 1973 году. Затем разработали составной транзистор, который оснастили управляемым транзистором с помощью полевого полупроводника с затвором.

Первые силовые транзисторы имели недостатки, выражавшиеся в медленном переключении, низкой надежностью. После 90 годов и по настоящее время эти недостатки устранены. Силовые полупроводники имеют повышенное входное сопротивление, малый уровень управляющей мощности, малый показатель остаточного напряжения.

Сейчас существуют модели транзисторов, способных коммутировать ток до нескольких сотен ампер, с рабочим напряжением в тысячи вольт.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/igbt-tranzistory/

Применение igbt транзисторов в инверторе

Применение высоковольтных мощных полупроводников позволило создавать компактные производительные сварочные инверторы. Последним словом в этой области после MOSFET инверторов стали сварочные аппараты на IGBT транзисторах.

Полевые полупроводники

Используемые в инверторах полупроводники по MOSFET технологии – это полевые силовые транзисторы с изолированным затвором. Управление полупроводником осуществляется напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, управляемых током. Канал ключа имеет высокую проводимость 1 мОм. В закрытом виде у них огромное входное сопротивление.

Изначально полевые полупроводники использовались и до сих пор применяются как ключи. В схемах импульсных источников питания применяются полевики с индуцированным затвором. В таком исполнении при нулевом напряжении на затвор-исток канал закрыт.

Для открытия ключа требуется подать потенциал определенной полярности. Для управления ключом не требуется силовых источников. Данные полупроводники часто используются в источниках питания и инверторах.

Биполярный прибор

IGBT – это биполярный транзистор с изолированным затвором, применяемый в инверторе. Фактически он состоит из двух транзисторов на одной подложке. Биполярный прибор образует силовой канал, а полевой является каналом управления.

Соединение полупроводников двух видов позволяет совместить в одном устройстве преимущества полевых и биполярных приборов. Комбинированный прибор может, как биполярный, работать с высокими потенциалами, проводимость канала обратно пропорциональна току, а не его квадрату, как в полевом транзисторе.

При этом IGBT транзистор имеет экономичное управление полевого прибора. Силовые электроды называются, как в биполярном, а управляющий получил название затвора, как в МОП приборе.

IGBT транзисторы для сварочных инверторов и силовых приводов, где приходится работать при высоких напряжениях, стали использовать, как только отладили технологию их производства. Они сократили габариты, увеличили производительность и мощность инверторов. Иногда они заменяют даже тиристоры.

В IGBT инверторе для обеспечения работы мощных переключателей применяются драйверы – микросхемы, усиливающие управляющий сигнал и ускоряющие быструю зарядку затвора.

Некоторые модели IGBT транзисторов работают с напряжением от 100 В до 10 кВ и токами от 20 до 1200 А. Поэтому их больше применяют в силовых электроприводах, сварочных аппаратах.

Полевые транзисторы больше применяют в импульсных источниках и однофазных сварочных инверторах. При токовых параметрах 400-500 В и 30-40 А они имеют лучшие рабочие характеристики. Но так как IGBT приборы могут применяться в более тяжелых условиях, их все чаще применяют в сварочных инверторах.

Применение в сварке

Простой сварочный инвертор представляет собой импульсный источник питания. В однофазном инверторном источнике питания переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 или 60 Гц выпрямляется с помощью мощных диодов, схема включения мостовая.

Затем инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, но уже высокой частоты (от 30 кГц до 120 кГц). Проходя через понижающий высокочастотный трансформатор (преобразователь), напряжение понижается до нескольких десятков вольт. Потом этот ток преобразуется обратно в постоянный.

Все преобразования необходимы для уменьшения габаритов сварочного аппарата. Традиционная схема сварочного инвертора получалась надежной, но имела очень большие габариты и вес. Кроме этого, характеристики сварочного тока с традиционным источником питания были значительно хуже, чем у инвертора.

Передача электроэнергии на высокой частоте позволяет использовать малогабаритные трансформаторы. Для получения высокой частоты постоянный ток преобразуется с помощью высоковольтных, мощных силовых транзисторов в переменный частотой 50-80 кГц.

Для работы мощных транзисторов напряжение 220 В выпрямляется, проходя через мостовую схему и фильтр из конденсаторов, который уменьшает пульсации. На управляющий электрод полупроводника подается переменный сигнал с генератора прямоугольных импульсов, который открывает/закрывает электронные ключи.

Выходы силовых транзисторов подключаются к первичной обмотке понижающего трансформатора. Благодаря тому, что они работают на большой частоте, их габариты уменьшаются в несколько раз.

Силовой инверторный блок

Переменное напряжение 220 В – это некоторое усредненное значение, которое показывает, что оно имеет такую же энергию, как и постоянный ток в 220 В. Фактически амплитуда равна 310 В. Из-за этого в фильтрах используются емкости на 400 В.

Мостовая выпрямительная сборка монтируется на радиатор. Требуется охлаждение диодов, поскольку через них протекают большие токи. Для защиты диодов от перегрева на радиаторе имеется предохранитель, при достижении критической температуры он отключает мост от сети.

В качестве фильтра используются электролитические конденсаторы, емкостью от 470 мкФ и рабочим напряжением 400 В. После фильтра напряжение поступает на инвертор.

Во время переключения ключей происходят броски импульсного тока вызывающие высокочастотные помехи. Чтобы они не проникали в сеть и не портили ее качество, сеть защищают фильтром электромагнитной совместимости. Он представляет собой набор конденсаторов и дросселя.

Сам инвертор собирается по мостовой схеме. В качестве ключевых элементов применяются IGBT транзисторы на напряжения от 600 В и токи соответствующие данному инвертору.

Они тоже с помощью специальной термопасты монтируются на радиаторы. При переключениях этих транзисторов возникают броски напряжения. Чтобы их погасить применяются RC фильтры.

Полученный на выходе электронных ключей переменный ток поступает на первичную обмотку высокочастотного понижающего трансформатора. На выходе вторичной обмотки получается переменный ток напряжением 50-60 В.

Под нагрузкой, когда идет сварка, он может выдавать ток до нескольких сотен ампер. Вторичная обмотка обычно выполняется ленточным проводом для уменьшения габаритов.

На выходе трансформатора стоит еще один мощный диодный мост. С него уже снимается необходимый сварочный ток. Здесь используются быстродействующие силовые диоды, другие использовать нельзя, потому что они сильно греются и выходят из строя. Для защиты от импульсных бросков напряжения используются дополнительные RC цепи.

Мягкий пуск

Для питания блока управления инвертора применяется стабилизатор на микросхеме с радиатором. Напряжение питания поступает с главного выпрямителя через резистивный делитель.

При включении сварочного инвертора конденсаторы начинают заряжаться. Токи достигают таких больших величин, что могут сжечь диоды. Чтобы этого не произошло, используется схема ограничения заряда.

В момент пуска ток проходит через мощный резистор, который ограничивает пусковой ток. После зарядки конденсаторов резистор с помощью реле отключается, шунтируется.

Блок управления и драйвер

Управление инвертором осуществляет микросхема широтно-импульсного модулятора. Она подает высокочастотный сигнал на управляющий электрод биполярного транзистора с изолированным затвором. Для защиты силовых транзисторов от перегрузок дополнительно устанавливаются стабилитроны между затвором и эмиттером.

Для контроля напряжения сети и выходного тока используется операционный усилитель, на нем происходит суммирование значений контролируемых параметров. При превышении или понижении от допустимых значений срабатывает компаратор, который отключает аппарат.

Для ручной регулировки сварочного тока предусмотрен переменный резистор, регулировочная ручка которого выводится на панель управления.

Сварочное оборудование на IGBT транзисторах имеет наилучшие характеристики по надежности. По сравнению с полевыми ключами биполярные транзисторы с изолированными затворами имеют преимущество больше 1000 В и 200 А.

При использовании в бытовых приборах и сварочных инверторах для домашнего пользования первое место до недавнего времени оставалось за сварочным оборудованием с MOSFET полупроводниками. Эта технология давно используется и хорошо отработана. Но у нее нет перспектив роста, в отличие от оборудования на IGBT транзисторах.

Новые модели уже ничем не уступают устройствам с полевыми приборами и на малых напряжениях. Только по цене первенство остается за аппаратами с полевыми транзисторами с индуцированным затвором.

Источник: https://svaring.com/welding/apparaty/invertor-na-igbt-tranzistorah

IGBT транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором. Устройство и принцип работы

Недостатком биполярных транзисторов является довольно большая мощность их управления. С другой стороны, полевые транзисторы имеют малую мощность управления, но способны усиливать лишь незначительные токи. Чтоб максимально использовать преимущества каждого из этих типов устройств и уменьшить количество их недостатков были разработаны биполярные транзисторы с изолированным затвором.

В технической литературе эти устройства получили название IGBT транзисторов, от английского Insulated Gate Bipolar Transistor (что в переводе на русский – биполярный транзистор с изолированным затвором).

Если посмотреть уже рассматриваемую нами схему полевого транзистора типа МДП с наведенным каналом, то можно увидеть, что участки истока и стока, которые имеют n-проводимость, вместе с базовой частью р-проводимости создают двухпереходную структуру, которая характерна для биполярного транзистора типа n-p-n. Можно считать, что полевой транзистор с наведенным каналом имеет в то же время все признаки биполярного, как это показано ниже:

Резистор R1 учитывает внутреннее объемное сопротивление р-полупроводника. Если создать в этом устройстве еще один p-n переход с участком, что принадлежит стоку (коллектору), получим схему показанную ниже:

В этой схеме мы получим два биполярных прибора включенных таким образом, что база Т1 в это же время является коллектором Т2, а база Т2 – коллектором Т1. Резистор R2 при этом учитывает сопротивление канала полевого транзистора.

Работа этого устройства объясняется следующим образом – когда к затвору поступает входной сигнал с положительной полярностью, в полевом транзисторе увеличивается стоковый ток. Но он протекает от плюсового вывода источника приложенного напряжения через базу Т2, что вызывает возрастание тока коллектора Т2. Этот ток в это же время является током базы Т1, что вызовет возрастание тока коллектора Т1. Последний в свою очередь проходит через базу Т2, вызывая при этом возрастание тока коллектора данного элемента. Оба элемента друг друга усиливают, что и приводит к значительным изменениям выходного тока через эмиттер Т2 при очень малом возрастании напряжения на затворе полевого элемента. Таким образом получают значительные изменения выходной величины со значительной мощностью, и в то же время прибор почти не требует энергии на управление. Ниже показано обозначение IGBT транзистора на схеме:

В последнее время IGBT элементы получили очень широкое применение в силовой электронике. Область их применения постоянно растет, и IGBT элементы появляются в новых устройствах, вытесняя при этом другие полупроводниковые элементы – тиристоры.

Что такое IGBT – работа, работа, приложения и различные типы IGBT

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.

Что такое IGBT?

IGBT – это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором . Это трехконтактное полупроводниковое переключающее устройство, которое можно использовать 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.

Внутренняя структура IGBT 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 выхода 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 имен IGBT – это 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).

Работа IGBT

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- , еще один 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.Из-за источника 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 введение отрицательно заряженных носителей в p-область, чем выше приложенное напряжение V _G , тем больше будет 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 прикладываемое напряжение затвора V _G увеличивается, величина тока, протекающего от коллектора к эмиттеру, также увеличивается.

Типы IGBT

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, у которых напряжение обратного пробоя меньше, чем напряжение прямого 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)

Пробивка через IGBT (PT-IGBT)	Без дырокола – IGBT (NPT – IGBT)
Они менее устойчивы к отказу при коротком замыкании и имеют меньшую термическую стабильность.	Они более надежны при отказе от короткого замыкания и обладают большей термостойкостью.
Коллектор представляет собой сильно легированный слой P +	Коллектор представляет собой слаболегированный P-слой.
Он имеет небольшой положительный температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии, поэтому параллельная работа требует большой осторожности и внимания.	Температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии строго положительный, поэтому параллельная работа проста.
Потери при выключении более чувствительны к температуре, поэтому они значительно увеличиваются при более высокой температуре.	Потеря выключения менее чувствительна к температуре, поэтому она останется неизменной с температурой.

Работа IGBT как цепи

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 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 образовать 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. Используемый здесь JFET 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 прикладывается к выводу затвора для переключения двигателя (M) от 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 порогового напряжения , 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.

Приложения IGBT БТИЗ

используются в различных приложениях, таких как приводы двигателей переменного и постоянного тока, нерегулируемые источники питания (ИБП), импульсные источники питания (SMPS), управление тяговыми двигателями и индукционный нагрев, инверторы, используемые для объединения полевых транзисторов с изолированным затвором для управления вход и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве и т. д.

Пакеты IGBT

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 ТО-262, ТО-251, ТО-273, ТО-274, ТО-220, ТО-220-3 FP, ТО-247, ТО-247AD. В комплект для поверхностного монтажа входят ТО-263, ТО-252.

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 переходный 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 – устройство с тремя выводами. 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 i.е. 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 MOSFET 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 как 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-дрейфовой области значительно возрастает, а следовательно, и проводимость n-области увеличивается.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.

Характеристики биполярного транзистора с изолированным затвором

Термин IGBT означает полупроводниковое устройство, а аббревиатура IGBT – биполярный транзистор с изолированным затвором. Он состоит из трех выводов с широким диапазоном допустимых значений биполярного тока. Разработчики IGBT считают, что это биполярное устройство, управляемое напряжением, с входом CMOS и биполярным выходом.Конструкция IGBT может быть выполнена с использованием обоих устройств, таких как BJT и MOSFET, в монолитной форме. Он сочетает в себе лучшие качества обоих для достижения оптимальных характеристик устройства. Применения биполярного транзистора с изолированным затвором включают силовые цепи, широтно-импульсную модуляцию, силовую электронику, источники бесперебойного питания и многое другое. Это устройство используется для повышения производительности, эффективности и снижения уровня слышимого шума. Он также фиксируется в цепях резонансного преобразователя. Оптимизированный биполярный транзистор с изолированным затвором доступен как для низкой проводимости, так и для потерь при переключении.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Биполярный транзистор с изолированным затвором представляет собой трехполюсное полупроводниковое устройство, и эти выводы называются затвором, эмиттером и коллектором. Эмиттерные и коллекторные клеммы IGBT связаны с трактом проводимости, а клемма затвора связана с его управлением. Расчет усиления достигается за счет IGBT в радиооборудовании с его i / p & o / p-сигналом. Для обычного BJT сумма коэффициентов усиления почти эквивалентна выходному току и входному току, что называется бета-коэффициентом.Биполярные транзисторы с изолированным затвором в основном используются в схемах усилителя, таких как полевые МОП-транзисторы или биполярные транзисторы.

Устройство IGBT

IGBT в основном используется в схемах усилителя малых сигналов, таких как BJT или MOSFET. Когда транзистор сочетает в себе более низкие потери проводимости схемы усилителя, получается идеальный твердотельный переключатель, который идеально подходит для многих приложений силовой электроники.

IGBT просто включается и выключается путем активации и деактивации его клеммы Gate. Постоянное напряжение + Ve i / p сигнал на клеммах затвора и эмиттера будет поддерживать устройство в активном состоянии, в то время как предположение о входном сигнале заставит его выключиться, как в BJT или MOSFET.

Базовая конструкция IGBT

Базовая конструкция N-канального IGBT приведена ниже. Структура этого устройства проста, а секция Si IGBT почти аналогична вертикальной силовой части MOSFET, за исключением инжектирующего слоя P +. Он имеет такую ​​же структуру, как затвор и P-колодцы из оксида металла и полупроводника через области источника N +. В следующей конструкции слой N + состоит из четырех слоев, которые расположены вверху и называется источником, а самый нижний слой – коллектором или стоком.

Базовая конструкция IGBT

Существует два типа IGBTS, а именно: IGBT без пробивки (NPT IGBTS) и с пробивкой через IGBT (PT IGBT). Эти два IGBT определены как: когда IGBT разработан с буферным слоем N +, он называется PT IGBT, аналогично, когда IGBT разработан без буферного слоя N +, называется NPT IGBT. Производительность IGBT может быть увеличена за счет наличия буферного уровня. БТИЗ работает быстрее, чем силовой биполярный транзистор и силовой полевой МОП-транзистор.

Принципиальная схема IGBT

На основе базовой конструкции биполярного транзистора с изолированным затвором разработана простая схема драйвера IGBT с использованием транзисторов PNP и NPN, JFET, OSFET, которые показаны на рисунке ниже.JFET-транзистор используется для подключения коллектора NPN-транзистора к базе PNP-транзистора. Эти транзисторы указывают паразитный тиристор на создание петли отрицательной обратной связи.

Принципиальная схема IGBT

Резистор RB указывает контакты BE транзистора NPN, чтобы подтвердить, что тиристор не защелкивается, что приведет к защелкиванию IGBT. Транзистор обозначает структуру тока между любыми двумя соседними ячейками IGBT. Он позволяет использовать полевой МОП-транзистор и поддерживает большую часть напряжения.Обозначение схемы IGBT показано ниже, которая содержит три клеммы, а именно эмиттер, затвор и коллектор.

Характеристики IGBT

Биполярный транзистор с индукционным затвором – это устройство, управляемое напряжением, ему требуется только небольшое напряжение на выводе затвора для продолжения проводимости через устройство

Характеристики IGBT

Поскольку IGBT является устройством, управляемым напряжением, он требуется только небольшое напряжение на затворе для поддержания проводимости через устройство, в отличие от BJT, которым требуется, чтобы базовый ток всегда подавался в достаточном количестве для поддержания насыщения.

IGBT может переключать ток в однонаправленном, то есть в прямом направлении (от коллектора к эмиттеру), тогда как MOSFET может переключать ток в двух направлениях. Потому что он управлял только в прямом направлении.

Принцип работы схем управления затвором для IGBT аналогичен N-канальному силовому МОП-транзистору. Основное отличие состоит в том, что сопротивление проводящего канала при подаче тока через устройство в его активном состоянии очень мало в IGBT.Из-за этого номинальный ток выше по сравнению с соответствующим мощным полевым МОП-транзистором.

Таким образом, речь идет о работе и характеристиках биполярного транзистора с изолированным затвором. Мы заметили, что это полупроводниковое переключающее устройство, которое имеет такие возможности управления, как полевой МОП-транзистор, и характеристику включения / выключения биполярного транзистора. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию IGBT. Кроме того, любые вопросы относительно приложений и преимуществ IGBT, пожалуйста, дайте свои предложения, комментируя в разделе комментариев ниже.Вот вам вопрос, в чем разница между BJT, IGBT и MOSFET?

Фото:

Что такое транзистор IGBT? – Основы, определение и структура

Транзисторный IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) – это, по сути, устройство силовой электроники, управляемое напряжением, заменяющее обычные силовые BJT ( биполярных транзисторов ) и полевых МОП-транзисторов в качестве переключающих устройств. БТИЗ специально разработаны для удовлетворения требований к высокой мощности.Хотя доступны биполярные транзисторы большой мощности, они имеют низкую скорость переключения. С другой стороны, также доступны полевые МОП-транзисторы высокой мощности, которые имеют более высокую скорость переключения, но не могут удовлетворить такие высокие требования к мощности.

Рис. 1. Символ IGBT

На самом деле транзисторный IGBT представляет собой гибридное устройство, состоящее из полевого транзистора, управляющего pnp BJT, и имеет три входных контакта. Выход из полевого транзистора подается на базу BJT. Это каскадирование приводит к трехполюсному устройству, которое сочетает в себе огромные токонесущие способности биполярного транзистора и высокую коммутационную способность полевого транзистора. Эти три вывода устройства называются коллектором , эмиттером и затвором . Gate – это входной терминал, а от эмиттера к коллектору – токопроводящий путь.

Рис. 2. Эквивалентная схема внутренней конструкции IGBT-транзистора

Рис. 3. Упрощенная схема транзистора IGBT (MOSFET + BJT)

IGBT – Типы и внутреннее устройство

Доступны два типа транзиторных IGBT:

• PT (сквозной) – они изготавливаются с дополнительным «слоем n +», называемым «буферным слоем n +»,
• NPT (непробиваемый) – изготавливаются без «буферного слоя n +».

Поскольку все транзисторы доступны в n-типе и p-типе, IGBT также доступны в обоих типах. В этой статье рассматривается PT, n-канальный транзисторный IGBT.

Рис. 4. Внутренняя структура «n-канального» IGBT-транзистора

Внутренняя конструкция транзисторного IGBT состоит из следующих областей:

• слой p + (слой инжекции) – Это коллекторная область. Он сильно легирован. Нам нужно подать положительное напряжение, чтобы коллектор и буферный переход (J ₃ ) были смещены в прямом направлении.
• n + layer (буферный слой) – Это дополнительный слой. Этот слой не влияет на работу транзисторного IGBT. Это делает устройство асимметричным. Помогает в области прямого пробоя.
• n-слой (область дрейфа стока) – Этот слой слегка легирован. Он служит базой для транзистора PNP, стоком полевого МОП-транзистора и эмиттером транзистора NPN. Соединение J ₂ образовано между n-слоем и p + телом.
• p + (Body) – Он действует как эмиттер PNP-транзистора, корпус MOSFET и база NPN-транзистора.
• n + layer – Он действует как коллектор NPN-транзистора, исток MOSFET. Соединение ₁ образовано между телом p + и слоем n + (источником)
• SiO ₂ – Затвор изолирован емкостью SiO

IGBT – Принцип работы

Режим прямой блокировки – Когда на коллектор подается положительное напряжение, затвор и эмиттер закорочены. Переходы J ₁ и J ₃ имеют прямое смещение, а J ₂ – обратное.

Режим проводимости – Подайте достаточное положительное напряжение на клемму затвора. Подайте положительный коллектор на эмиттер. Канал электронов формируется под SiO ₂ и в области тела p-типа. Этот канал соединяет n + слой с n- дрейфовой областью. Транспорт электронов в области n-дрейфа снижает сопротивление этой области. Junction ₁ также смещен вперед и вводит дырки в область n-дрейфа. Дырки от инжекционного слоя и электроны от n + слоя собираются в дрейфовой области.Наличие большого количества носителей (электронов и дырок) снижает сопротивление n-дрейфовой области или, можно сказать, увеличивает проводимость n-дрейфовой области. Это явление называется модуляцией проводимости дрейфовой области . Электроны и дырки составляют ток, протекающий через биполярный транзистор с изолированным затвором.

Режим обратной блокировки – Когда на коллектор подается отрицательное напряжение, переход ₃ смещается в обратном направлении.

IGBT – Характеристики переключения

IGBT обычно используется в коммутационных приложениях, поскольку он работает либо в области отсечки, либо в области насыщения.

Отдельные области выходной характеристики IGBT:

V _GE = 0, устройство выключено, так как в области тела p-типа не сформирован инверсионный слой. Это область отсечения .

В _GE > 0, В _GE GET примените V _GE так, чтобы оно было больше 0, но меньше В _GET (пороговое напряжение). В этом случае ток утечки очень мал, что связано с потоком неосновных носителей. Устройство все еще находится в зоне отключения. А V _CE практически равен V _CC .

В _GE > В _GET , приращение напряжения затвор-эмиттер сверх порогового значения, поместите устройство в активную область . Из-за напряжения затвора-эмиттера в области тела p-типа создается инверсионный слой n-типа . Теперь есть канал для текущего потока.

V _GE >> V _GET , существенное увеличение V _GE переводит полевой МОП-транзистор в омическую область, а выходной PNP-транзистор в область насыщения область .В области насыщения ток коллектора (i _c ) также увеличивается, что снижает V _CE .

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика IGBT-транзистора

.

Биография автора:

Амна Ахмед – страстный писатель. Она ведет образовательный блогер с 2012 года. Она живет в Карачи, Пакистан. Она закончила B.E. Электронная инженерия из авторитетного учреждения в 2011 году. Она любит электронику и любит читать и писать все, что связано с электроникой.Она хорошо пишет обзоры литературы, конспекты лекций, обзоры технологий. Посетите ее блог здесь и оставайтесь на связи.

Базовая структура

и ее преимущества

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Термин IGBT – это краткая форма биполярного транзистора с изолированным затвором, это трехконтактное полупроводниковое устройство с огромной биполярной токоведущей способностью. Многие разработчики думают, что IGBT имеет биполярное устройство CMOS i / p и биполярное o / p, управляемое напряжением.Таким образом, это устройство спроектировано так, чтобы использовать преимущества как BJT, так и MOSFET устройств в виде монолита. Он сочетает в себе лучшие качества обоих для достижения характеристик оптимального устройства.

Это устройство подходит для нескольких приложений, таких как использование в силовой электронике, в частности, в ШИМ (широтно-импульсная модуляция), ИБП (источники бесперебойного питания), SMPS (импульсные источники питания) и других силовых цепях. Это увеличивает эффективность, динамические характеристики и снижает уровень слышимого шума.Он аналогичным образом устанавливается в цепи преобразователя резонансного режима. Оптимизированный IGBT доступен как для низких потерь переключения, так и для низких потерь проводимости.

Что такое IGBT?

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) представляет собой трехконтактный электронный компонент, который называется эмиттером, коллектором и затвором. Два из его выводов, а именно коллектор и эмиттер, связаны с трактом проводимости, а оставшийся вывод «G» связан с его управлением. Суммарное усиление, достигаемое IGBT, представляет собой соотношение между его входным и выходным сигналами.Для обычного BJT величина усиления почти равна отношению тока o / p к току i / p, которое называется бета-коэффициентом.

Символ IGBT

Для полевого МОП-транзистора (металлооксидного полупроводникового полевого транзистора) ток i / p отсутствует, поскольку вывод затвора изолирован от основного токоведущего канала. Таким образом, усиление полевого транзистора равно усилению полевого транзистора, равному отношению изменения тока o / p к изменению i / pv. Тогда IGBT можно рассматривать как силовой BJT, а базовый ток этого транзистора равен обеспечивается полевым МОП-транзистором.IGBT в основном используется в схемах усилителя слабого сигнала, таких как BJT или MOSFET. Когда транзистор объединяет более низкие потери проводимости BJT и MOSFET, получается идеальный твердотельный переключатель, который идеально подходит для различных приложений силовой электроники.

IGBT просто переключается в положение «ВКЛ» и «ВЫКЛ» путем срабатывания и отключения клеммы затвора. Постоянный + Ve сигнал напряжения i / p на «G» и «E» будет удерживать устройство в состоянии «ON», в то время как вычитание i / p-сигнала заставит его выключить, как BJT или MOSFET. .

Базовая структура IGBT

Базовая структура N-канального IGBT показана ниже. Эта структура очевидна, поскольку поперечное сечение кремния IGBT почти равно поперечному сечению вертикального силового MOSFET, за исключением инжектирующего слоя P +. Он имеет ту же структуру MOS gate & P-wells с областями источника N +. В следующей структуре слой N +, расположенный вверху, называется источником, а нижний слой – стоком или коллектором.

Базовая структура N-канального БТИЗ

БТИЗ с паразитным тиристором включает 4-слойные структуры NPN.Есть некоторые IGB, которые изготавливаются без буферного слоя N +, называемые NPT IGBTS без пробивки), тогда как некоторые IGBT изготавливаются с буферным слоем N +, называемые PT IGBT (punch through). Производительность устройства может значительно увеличиться за счет наличия буферного слоя. IGBT работает быстрее, чем силовой BJT, чем силовой MOSFET.

Принципиальная схема IGBT

На основе базовой структуры IGBT можно нарисовать простую схему с использованием транзисторов PNP и NPN, JFET, OSFET, которая показана на рисунке ниже.Коллекторный вывод NPN-транзистора соединен с базовым выводом PNP через JFET-транзистор. Эти транзисторы обозначают паразитный тиристор, который создает регенеративную цепь обратной связи. Резистор RB означает замыкание выводов база-эмиттер NPN-транзистора, чтобы гарантировать, что тиристор не защелкнется, что приведет к защелкиванию IGBT.

Принципиальная схема IGBT

JFET-транзистор означает построение тока b / n любых двух соседних ячеек IGBT.Он позволяет использовать полевой МОП-транзистор и поддерживает большую часть напряжения. Ниже показан символ схемы для IGBT, который состоит из трех выводов, а именно эмиттера, затвора и коллектора. Поведение при переключении IGBT

Поведение при переключении IGBT

Эти устройства в основном используются в качестве переключателей, например, в преобразователях частоты и прерывателях, Вариант диода является наиболее важным, потому что, когда переключение IGBT выключено, ток определяется нагрузкой, которая во многих случаях является индуктивной.

При подключении соответствующих диодов допускается протекание тока. Когда этот транзистор снова включается, ток, протекающий в диоде, сначала работает как короткое замыкание. Напряжение можно заблокировать, сняв накопленное напряжение. Это выглядит как добавленный к току нагрузки избыточный ток, который называется током обратного восстановления диода «Irr». Максимум Irr возникает (di / dt = 0), когда количество внезапных напряжений через IGBT и диод соответствует напряжению питания. Когда IGBT включен, ток изменяется, что приводит к возникновению точки перенапряжения за счет изменения тока в зависимых индуктивностях, согласующегося с ∆VCE = Lσ × di / d

NPT-IGBT и PT-IGBT

NPT и PT-IGBT разработаны IXYS Corporation.Физическая конструкция БТИЗ NPT и PT показана ниже. Структура PT состоит из дополнительного буферного слоя, который выполняет две функции: 1) Отказ можно избежать путем сквозного действия, поскольку этот слой контролирует расширение области истощения при приложенном высоком напряжении. 2) .Ток отказа может быть уменьшен, когда он отключается, и сокращает время спада IGBT, потому что отверстия, вставленные коллектором P +, не полностью рекомбинируют в этом слое.

NPT-IGBT и PT-IGBT

Основы NPT-IGBT, IXYS Corporation 4 IXAN0063 и Abdus Sattar имеют одинаковое напряжение пробоя, и они применимы для приложений переменного тока.PT-IGBT имеют меньшее напряжение пробоя, и это актуально для цепей постоянного тока, где эти устройства не являются необходимыми для поддержки напряжения в обратном направлении.

Разница между NPT-IGBT и PT-IGBT

Это устройство, управляемое напряжением, и ему требуется небольшое напряжение на клемме затвора, чтобы поддерживать проводимость через устройство.

Это однонаправленное устройство, потому что оно может изменять ток только в прямом направлении, то есть от коллектора к эмиттеру.

Разница между NPT-IGBT и PT-IGBT

Принцип работы BJT очень похож на N-канальный MOSFET.Основное различие заключается в том, что ток, существующий в проводящем канале, когда ток подается через устройство в его состоянии включения, очень мал в IGBT, по этой причине номинальные токи высоки при согласовании с MOSFET.

Преимущества и недостатки IGBT

Основными преимуществами IGBT по сравнению с различными типами транзисторов являются низкое сопротивление в открытом состоянии, высокая емкость по напряжению, быстрая скорость переключения, простота управления и соединение с нулевым током управления затвором создает хороший вариант для разумного скорость и различные высоковольтные приложения, такие как PWM, SMPS, регулирование скорости, преобразователь переменного тока в постоянный, питаемый от солнечной батареи, и приложения преобразователя частоты, которые работают с сотнями кГц.

Основные недостатки: Скорость переключения ниже для силового MOSFET и выше для BJT. Коллекторный ток, следующий из-за неосновных носителей заряда, приводит к низкой скорости выключения. 2. Существует вероятность защелкивания из-за внутренней структуры тиристора PNPN.

Таким образом, речь идет о работе IGBT и приложениях IGBT. Мы заметили, что IGBT – это полупроводниковое переключающее устройство, которое имеет характеристику o / p, как у BJT, но управляется как MOSFET.Мы уверены, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые сомнения относительно приложений IGBT или электрических и электронных проектов, пожалуйста, дайте свой отзыв, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, в чем разница между BJT, MOSFET и IGBT?

Фото:

VI характеристики IGBT и принцип его работы »Электронные устройства

VI-характеристики IGBT показаны на рисунке.В прямом направлении они аналогичны таковым у биполярных транзисторов. Единственная разница здесь заключается в том, что регулирующим параметром является напряжение Vgs затвор-исток, а регулируемым 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 MOSFET и BJT , обеспечивающий высокую эффективность и быстрое переключение.Прочтите эту статью, чтобы узнать о структуре работы IGBT и приложениях IGBT.

power BJT имеет преимущество низкой рассеиваемой мощности, но его нельзя переключать на более высоких скоростях 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. Поэтому устройство должно работать при напряжении ниже этого.

Типы IGBT:

В зависимости от того, был ли буферный слой n + включен 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).
• Пробойник через IGBT имеет асимметричную блокирующую способность. Это означает, что они могут последовательно блокировать положительный 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)

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 минимизировать 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 радиопомех. 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 помещения лифта не правильно спланировано и подключено неправильно, 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.