Igbt схема – IGBT транзистор. Принцип работы и применение.

Применение igbt транзисторов в инверторе

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.

Обратите внимание

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.

С

fgpip.ru

Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3.

Кроме транзисторов и сборок Дарлингтона есть еще один хороший способ рулить мощной постоянной нагрузкой — полевые МОП транзисторы.
Полевой транзистор работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением.

МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.

Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет. Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.к. он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.

Тут вариантов три:

• На более мелких транзисторах сорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением
• применить специальную микросхему драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117.

  Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных. Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

• Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. Например из серии IRL630A или им подобные. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда есть один недостаток — их порой сложно достать. Если обычные мощные полевики уже не являются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают далеко не всегда.

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.

Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I _Drain или I_D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это V_GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I_D от V_DS при разных значениях V_GS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом. А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I²R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком. Посмотрим тогда на IRL630.

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t_on,t_off, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора C_iss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется. Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков.

easyelectronics.ru

IGBT транзисторы для силовых преобразователей

Ранее мы называли транзисторы MOSFET почти идеальными приборами для использования в изделиях силовой электроники. Сейчас настало время повторить одну существенную оговорку, также сделанную нами выше: справедливость слов об идеальности транзисторов MOSFET не ставится под сомнение, если рабочее напряжение силовых цепей преобразователей не превышает 250…300 (максимум — 400) В. При дальнейшем повышении рабочего напряжения приходится выбирать транзисторы с более высокой величиной напряжения «сток-исток», а это означает, что нам будет затруднительно найти в номенклатуре серийно выпускаемых приборов такой типономинал, который при высоких допустимых напряжениях «сток—исток» будет иметь низкое сопротивление канала в открытом состоянии, и, соответственно, высокий ток стока. Максимальная величина допустимого напряжения «сток—исток» большинства серийных транзисторов MOSFET сегодня составляет порядка 800 В, но сопротивление канала в открытом состоянии у них измеряется уже единицами Ом. Справедливости ради отметим, что иногда все-таки можно встретить приборы с допустимым напряжением «сток—исток» порядка 1000… 1200 В, но это — опять же «штучный товар», не находящий практического применения, а потому потихоньку исчезающий с рынка силовых полупроводников. Как же поступить разработчику в случае разработки высоковольтного мощного статического преобразователя? Опять возвращаться к биполярным транзисторам? Ни в коем случае!

Оказывается, на этапе изготовления транзистора возможно объединить такие преимущества биполярных приборов, как большая допускаемая величина напряжения «коллектор—эмиттер», и полевых транзисторов — как минимальные затраты энергии на управление. Объединение этих замечательных свойств происходит благодаря специально разработанным технологическим приемам, в результате чего получается биполярный транзистор с изолированным затвором. Ведущие мировые фирмы разработали множество технологических приемов получения таких транзисторов, с различными внутренними струк-

турами, однако на сегодняшний день наибольшее распространение получили комбинированные транзисторы эпитаксильной структуры PT (punchthrough) и однородной структуры NPT (nonpunch-through). Сегодня данные транзисторы объединены общим наименованием IGBT (insulated gate bipolar transistor), произносящимся на слух как «ай-джи-би-ти» (рис. 2.1.29). Именно в структуре типа IGBT наиболее удачным образом удалось соединить положительные свойства чистых полевых и биполярных приборов, работающих в ключевом режиме.

Давайте вспомним, что на этапе производства полевыхтранзисторов MOSFET в их структуре обязательно появляется паразитный биполярный транзистор, который не находит практического применения, а зачастую просто ухудшает положительные динамические свойства полевого транзистора. Проведенные исследования показали, что возможно ввести в структуру транзистора несколько новых элементов, благодаря которым он превратится в совершенно новый прибор с уникальными свойствами, а паразитный элемент как бы исчезнет во внутренней структуре и не будет влиять на динамические процессы, протекающие в силовой цепи. На рис. 2.1.30 условно показано внутреннее устройство IGBT транзистора, причем на рис. 2.1.30, а приведены все «технологические» элементы, появляющиеся на этапе изготовления. Здесь мы видим знакомый нам входной транзистор типа MOSFET VT1, цепь «сток-исток» которого зашунтирована паразитным биполярным р-п-р-транзистором VT3 с резистором R_b в его собственной цепи «база—эмиттер». Новые элементы — биполярный транзистор структуры n-p-n VT2 и полевой транзистор с управляющим р-п-переходом VT4. Последний транзистор выполняет роль динамического сопротивления, которое уменьшается во включенном состоянии и пропускает ток через базовую область транзистора VT2.

Первый шаг к упрощению эквивалентной схемы IGBT транзистора сделан на рис. 2.1.30, б, где транзистор VT4 заменен условным резистором с переменным сопротивлением R_mod. Теперь, взглянув на схему, можно увидеть, что образовавшаяся структура из биполярных транзисторов VT2 и VT3 может иметь положительную обратную связь, так как ток коллектора VT2 самым непосредственным образом влияет на ток базы VT3, и наоборот. Вообще данная структура сильно напоминает 4-х слойную тиристорную структуру, а значит, возможно появление неприятного эффекта защелкивания этой р-п-р-п-структуры, что часто наблюдалось в первых образцах IGBT приборов. К чему может привести защелкивание, долго объяснять не нужно — транзистор теряет управление в открытом состоянии, и силовая схема может просто выйти из строя.

Исследованию эффекта защелкивания 4-х слойных структур IGBT транзисторов было посвящено множество научных работ, и сегодня этот весьма неприятный эффект, благодаря развитию технологий производства, можно считать ушедшим в историю данных приборов. Производители научились с ним успешно бороться, управляя величиной R_b и R_mod, а также коэффициентами усиления VT2 и VT3 на стадии изготовления. Исследования также показали, что устойчивость 4-х слойных структур к защелкиванию снижается при увеличении скорости изменения напряжения «коллектор—эмиттер» в единицу времени, то есть защелкивание проявляется в моменты коммутации ключей в силовой схеме, а значит, можно принять меры по ограничению скорости нарастания токов. Добавим, что ведущие мировые фирмы-производители транзисторов IGBT («International Rectifier», «IXYS», «Motorola», «Intersil», «Semikron», «Mitsubishi», «Eupec», «Dynex» и др.) гарантируют отсутствие «защелкивания» биполярных структур, поэтому в их технической документации часто приводится упрощенная эквивалентная схема IGBT приборов, показанная на рис. 2.1.30, в.

На рис. 2.1.31 представлен разрез внутренней структуры типового IGBT прибора. Биполярный транзистор образуется здесь слоями р⁺ (эмиттер), n (база), p (коллектор), а полевой транзистор — слоями полупроводника n (исток), п⁺ (сток) и металлической пластиной (затвор). Полупроводниковые слои р⁺ и p имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор подключается к электронной схеме.

Для разработки статических преобразователей электроэнергии на основе транзисторов IGBT нет необходимости подробно знакомиться с параметрами составных элементов полупроводникового прибора. Достаточно представить IGBT прибор в виде обычного трехэлектродного элемента, имеющего типовые параметры и характеристики, которые можно получить из технической документации конкретного типономинала. Именно поэтому мы более не будем останавливаться на рассмотрении различных внутренних структур IGBT приборов, а пе-

Рис. 2.1.31. Внутренняя структура IGBT транзистора

рейдем к вопросам практического использования этих транзисторов в устройствах преобразовательной техники.

В первую очередь разработчика устройств силовой электроники должен интересовать следующий вопрос: «Какое положение по быстродействию, то есть скорости включения и выключения, занимает транзистор IGBT по сравнению с транзисторами MOSFET и классическими биполярными транзисторами?» Однозначно можно сказать, что транзистор MOSFET переключается быстрее транзистора IGBT, но в случае сравнения с биполярным транзистором нельзя сделать утвердительный вывод в пользу того или иного прибора, и вот почему.

Ограничение скорости переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором, как и простых биполярных транзисторов, определяется конечным временем жизни неосновных носителей в их базовых областях. Если включение транзисторов происходит достаточно быстро, то необходимость выделения некоторого времени на рассасывание неосновных носителей в базовой области замедляет процесс восстановления их непроводящего состояния (выключения). Для IGBT, процесс выключения которого в целом похож на аналогичный процесс для транзистора типа MOSFET, значительная задержка выключения связана с так называемым «токовым хвостом», когда остаточный ток коллектора продолжает совершать колебательные движения, приближаясь к нулевому значению. Причина «токового хвоста» кроется в накоплении заряда базовой областью и его постепенном рассасывании при окончательном переходе внутреннего MOSFET в режим отсечки. Чем опасен «токовый хвост»? Тем, что он ведет к увеличению тепловых потерь и требует увеличения так называемого «мертвого времени» (dead time) для полумостовых и мостовых силовых схем в промежутках между фазами проводимости ключевых элементов.

Фирмы-производители элементной базы сделали немало усилий для оптимизации процессов рассасывания неосновных носителей в базовой области IGBT приборов, однако эта задача оказалась настолько противоречивой по воздействующим факторам, что решать ее пришлось комплексно, то есть не только улучшать технологию производства, но и применять схемотехнические ухищрения. Конечно, производители элементной базы могли бы оставить разработчикам преобразовательной техники возможность управления процессами рассасывания неосновных носителей, если бы вывели наружу базу внутреннего биполярного транзистора VT2. Но этот путь снизил бы потребительские качества транзисторов: слишком сложно тогда бьшо бы применять их в конкретных схемах. К тому же, как оказалось, выигрыш от такого решения не столь значителен, поэтому этот базовый вывод традиционно делают недоступным извне. Кроме этого, удалось выработать особые технологические приемы, позволяющие ускорить процесс рекомбинации носителей базовой области, среди которых — снижение коэффициента усиления транзистора VT2.

К сожалению, в процессе оптимизации переключающих свойств IGBT приборов возникло еще одно существенное противоречие: снижение коэффициента усиления в значительной степени уменьшает «токовый хвост», но увеличивает напряжение насыщения открытого транзистора, а значит, и статические потери в открытом состоянии (потери проводимости). Увеличение коэффициента усиления, наоборот, снижает напряжение насыщения, но приводит к росту «токового хвоста», а значит, и к росту потерь переключения (динамических потерь). Чрезмерное же увеличение коэффициента может привести к резкому повышению вероятности возникновения защелкивания. До некоторой степени с опасным эффектом удается бороться, варьируя сопротивления R_b и R_mod. Но перечисленные проблемы интересуют только производителей, а разработчикам преобразовательной техники важны только результаты их решения.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

nauchebe.net