Силовые модули IGBT — что это такое, принцип работы, схема управления
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой полупроводниковый прибор с тремя соединительными клеммами, очень полезный благодаря своему высокому КПД, мощности и быстрому включению и отключению.
IGBT-транзисторы используются в устройствах средней и высокой мощности, импульсных источниках питания, управлении тяговыми двигателями и устройствах индукционного нагрева.
Поскольку они предназначены для быстрого включения и выключения, IGBT используются в усилителях, которые имеют дело со сложными формами сигналов, широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и фильтрами нижних частот.
Эти силовые полупроводниковые устройства используются в низковольтных и высоковольтных преобразователях постоянного и переменного тока, станках с ЧПУ, промышленных роботах, оборудовании для производства полупроводников и медицинском оборудовании.
Это также могут быть сварочные аппараты, различные лабораторные инверторы, источники бесперебойного питания, стабилизаторы, электроприводы, конверторы, оборудование для ветряной и солнечной энергетики, любительская электротехника, вроде трансформаторов Тесла типа DRSSTC и т. д.
Импульсные источники питания с IGBT-транзисторами используются во многих инновационных устройствах, таких как электромобили, холодильники с регулируемой скоростью, кондиционеры, стереосистемы с цифровыми усилителями и т. д.
Для наиболее технологичного решения подобного рода задач и были придуманы силовые модули IGBT, в основе которых, как можно легко понять из названия, лежат IGBT-транзисторы.
С момента своего появления в 1988 году и по настоящее время IGBT-транзисторы развивались и завоевывали позиции по сравнению с другими технологиями, становясь наиболее широко используемым типом транзисторов в силовых модулях благодаря их превосходным характеристикам и возможностям управления.
В промышленных приложениях используются модули IGBT, которые включают в себя множество транзисторов, установленных параллельно, которые могут выдерживать токи в сотни ампер.
Осуществляя проектирование и монтаж силовых электронных блоков, в частности это касается преобразовательной техники, очень важно обеспечить полупроводниковым ключам не только качественную изоляцию и отсутствие паразитных наводок, но и надлежащий тепловой режим их работы. При этом всегда желательно сохранить компактность изделия, не нарушая надежности всей сборки.
Передовые технологии современного производства полупроводниковых кристаллов позволяют получать компоненты с небольшим падением напряжения, высокой допустимой температурой и малыми коммутационными потерями.
Такие модули способны работать при разных напряжениях и токах, в зависимости от конкретной модели того или иного IGBT-модуля.
Уже сейчас на рынке доступны силовые компоненты от известных мировых производителей на максимальное напряжение от 600 до 6500 вольт и на максимальный ток от 10 до 3600 ампер.
По типу сборки IGBT-модули подразделяются на: одиночные ключи, полумосты, чопперы, трехфазные мосты, а также многоуровневые сборки и узкоспециальные комбинации.
Выбор того или иного IGBT-модуля зависит от цели, для которой его планируется применять.
В корпусе IGBT-модуля находятся кристаллы, образующие транзисторы и диоды. Транзисторов и диодов может быть несколько. Например, трехфазный мост с тормозным транзистором может содержать 7 IGBT-транзисторов и в общей сложности 10 диодов.
Между непосредственно кристаллом и металлической подложкой каждого элемента расположена изолирующая теплопроводящая подложка.
Металлическая подложка элемента, в свою очередь, припаяна к внешней медной пластине, которая может либо сама представлять собой готовый радиатор, либо предполагать соединение с внешним радиатором.
Как правило, конструкция модуля предполагает монтаж одной его стороной на внешний радиатор, тогда как на другую его сторону можно установить плату драйвера.
Различные по параметрам продукты от Infineon, Mitsubishi, IXYS и Semikron широко представлены сегодня на отечественном рынке. В модулях применяются кристаллы, изготовленные с использованием технологий последних поколений.
Существует большой выбор компактных корпусов с пружинным и винтовым креплением внешних проводников. Допускается параллельный монтаж и сопряжение нескольких модулей, поскольку их корпуса допускают компактную стыковку друг к другу.
IGBT-модули постоянно совершенствуются, ведь их производители осваивают все новые и новые технологии создания кристаллов, работают над оптимизацией и совершенствованием корпусов, наружных терминалов, подбирают лучшие материалы, работают над улучшением критически важных электрических характеристик по следующим направлениям:
- устойчивость к токам короткого замыкания,
- уменьшение емкости затвора,
- снижение напряжения насыщения,
- повышение рабочей частоты,
- уменьшение паразитных индуктивностей и емкостей,
- улучшение теплопроводности.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Силовые транзисторы
Транзистором называют полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-переходов и способный работать как в усилительных, так и в ключевых режимах.
В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии.
В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение.
В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении и не выдерживают обратного напряжения.
По принципу действия различают следующие основные классы силовых транзисторов:
- биполярные транзисторы,
- полевые транзисторы, среди которых наибольшее распространение получили транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect transistor),
- полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или транзисторы со статической индукцией (СИТ) (SIT — static induction transistor),
- биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) (IGBT — insulated gate bipolar transistor).
Биполярный транзистор — транзистор, в котором токи образуются движением зарядов двух знаков — электронов и дырок.
Биполярные транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоёв структуры различают транзисторы р-п-р- и n-p-n-типов. Среди силовых транзисторов широкое распространение получили транзисторы п-р-п-типа (рис. 1, a).
Средний слой структуры называется базой (В), внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители – эмиттером (Е), собирающий носители – коллектором (С). Каждый из слоев – база, эмиттер и коллектор – имеет вывод для соединения с элементами электрической схемы и внешними цепями. MOSFET-транзисторы. Принцип действия МОП – транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля.
Из структуры транзистора имеются следующие выводы: затвор (G), исток (S), сток (D), а также вывод от подложки (B), соединяемой обычно с истоком (рис. 1, b).
Принципиальным отличием МОП – транзисторов от биполярных транзисторов является то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП – транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие.
Допустимые значения коммутируемых токов МОП – транзисторов существенно зависят от напряжения. При токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В при частоте коммутации до 100 кГц.
Это разновидность полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (рис. 6.6., c). Рабочая частота SIT-транзисторов обычно не превышает 100 кГц при напряжении коммутируемых цепей до 1200 В и токах до 200 – 400 А.
Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (рис. 1., d).
IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора.
Рис. 1. Условно-графические обозначения транзисторов: a) – биполярный транзистор п-р-п-типа; b) – MOSFET-транзистор с каналом п-типа; c) – SIT-транзистор с управляющим p-n-переходом; d) – IGBT-транзистор.
Коммутируемые напряжения силовых IGBT – транзисторов, так же как и биполярных, не более 1200 В, а предельные значения токов достигают нескольких сот ампер при частоте 20 кГц.
Приведённые выше характеристики обуславливают области применения различных типов силовых транзисторов в современных силовых электронных устройствах. Традиционно применялись биполярные транзисторы, основной недостаток которых заключается в потреблении значительного тока базы, что требовало мощного оконечного каскада управления и приводило к снижению КПД устройства в целом.
Затем были разработаны полевые транзисторы, более быстродействующие и потребляющие небольшие мощности из системы управления. Основным недостатком МОП – транзисторов являются большие потери мощности от протекания силового тока, что определяется особенностью статической ВАХ.
В последнее время лидирующее положение в области применения занимают IGBT – транзисторы, сочетающие в себе достоинства биполярных и полевых транзисторов. Предельная мощность SIT – транзисторов сравнительно невелика, поэтому широкого применения в силовой электронике они не нашли.
Обеспечение безопасной работы силовых транзисторов
Главным условием надёжной работы силовых транзисторов является обеспечение соответствия обеспечения безопасности работы как статических, так и динамических вольтамперных характеристик, определяемых конкретными условиями работы.
Ограничениями, определяющими безопасность работы силовых транзисторов, являются:
- максимально допустимое значение тока коллектора (стока);
- допустимое значение рассеиваемой транзистором мощности;
- максимально допустимое значение напряжения коллектор – эмиттер (сток – исток);
В импульсных режимах работы силовых транзисторов границы безопасности работы существенно расширяются. Это объясняется инерционностью тепловых процессов, вызывающих перегрев полупроводниковой структуры транзисторов.
Динамические ВАХ транзистора во многом определяется параметрами коммутируемой нагрузки. Например, выключение активно – индуктивной нагрузки вызывает перенапряжения на ключевом элементе. Эти перенапряжения определяются ЭДС самоиндукции Um= -Ldi/dt, возникающей в индуктивной составляющей нагрузки при спадании тока до нуля.
Для исключения или ограничения перенапряжений при коммутации активно – индуктивной нагрузки применяются различные цепи формирования траектории переключения (ЦФТП), позволяющие сформировать желаемую траекторию переключения. В простейшем случае это может быть диод, шунтирующий активно – индуктивную нагрузку или RC-цепь, подключаемая параллельно стоку и истоку МОП – транзистора.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения
Технологии в области силовой электроники все время совершенствуются: реле становятся твердотельными, биполярные транзисторы и тиристоры заменяются все обширнее на полевые транзисторы, новые материалы разрабатываются и применяются в конденсаторах и т. д. — всюду определенно заметна активная технологическая эволюция, которая не прекращается ни на год. С чем же это связано?
Это связано, очевидно, с тем, что в какой-то момент производители оказываются не в состоянии удовлетворить запросы потребителей на возможности и качество силового электронного оборудования: у реле искрят и обгорают контакты, биполярные транзисторы для управления требуют слишком много мощности, силовые блоки занимают неприемлемо много места и т. п. Производители конкурируют между собой — кто первым предложит лучшую альтернативу…?
Так и появились полевые MOSFET транзисторы, благодаря которым управление потоком носителей заряда стало возможным не посредством изменения тока базы, как у биполярных предков, а посредством электрического поля затвора, по сути — просто приложенным к затвору напряжением.
В итоге уже к началу 2000-х доля силовых устройств на MOSFET и IGBT составляла около 30%, в то время как биполярных транзисторов в силовой электронике осталось менее 20%. За последние лет 15 произошел еще более существенный рывок, и биполярные транзисторы в классическом понимании почти полностью уступили место MOSFET и IGBT в сегменте управляемых силовых полупроводниковых ключей.
Проектируя, к примеру, силовой высокочастотный преобразователь, разработчик уже выбирает между MOSFET и IGBT – оба из которых управляются напряжением, прикладываемым к затвору, а вовсе не током, как биполярные транзисторы, и цепи управления получаются в результате более простыми. Давайте, однако рассмотрим особенности этих самых транзисторов, управляемых напряжением затвора.
MOSFET или IGBT
У IGBT (БТИЗ-биполярный транзистор с изолированным затвором) в открытом состоянии рабочий ток проходит через p-n-переход, а у MOSFET – через канал сток-исток, обладающий резистивным характером. Вот и возможности для рассеяния мощности у этих приборов различаются, потери получаются разными: у MOSFET-полевика рассеиваемая мощность будет пропорциональна квадрату тока через канал и сопротивлению канала, в то время как у БТИЗ рассеиваемая мощность окажется пропорциональна напряжению насыщения коллектор-эмиттер и току через канал в первой степени.
Если нам нужно снизить потери на ключе, то потребуется выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением канала, однако не стоит забывать, что с ростом температуры полупроводника это сопротивление вырастет и потери на нагрев все же возрастут. А вот у IGBT с ростом температуры напряжение насыщения p-n-перехода наоборот снижается, значит и потери на нагрев уменьшаются.
Но не все так элементарно, как может показаться на взгляд неискушенного в силовой электронике человека. Механизмы определения потерь у IGBT и MOSFET в корне различаются.
Как вы поняли, у MOSFET-транзистора сопротивление канала в проводящем состоянии обуславливает определенные потери мощности на нем, которые по статистике почти в 4 раза превосходят мощность, затрачиваемую на управление затвором.
У IGBT дело обстоит с точностью до наоборот: потери на переходе меньше, а вот затраты энергии на управление — больше. Речь о частотах порядка 60 кГц, и чем выше частота — тем больше потери на управление затвором, особенно применительно к IGBT.
Дело все в том, что в MOSFET неосновные носители заряда не рекомбинируют, как это происходит в IGBT, в составе которого есть полевой MOSFET-транзистор, определяющий скорость открывания, но где база недоступна напрямую, и ускорить процесс при помощи внешних схем нельзя. В итоге динамические характеристики у IGBT ограничены, ограничена и предельная рабочая частота.
Повышая коэффициент передачи и снижая напряжение насыщения — допустим, понизим статические потери, но зато повысим потери при переключении. По этой причине производители IGBT-транзисторов указывают в документации на свои приборы оптимальную частоту и максимальную скорость переключения.
Есть недостаток и у MOSFET. Его внутренний диод отличается конечным временем обратного восстановления, которое так или иначе превышает время восстановления, характерное для внутренних антипараллельных диодов IGBT. В итоге имеем потери включения и токовые перегрузки у MOSFET в полумостовых схемах.
Теперь непосредственно про рассеиваемое тепло. Площадь полупроводниковой IGBT-структуры больше чем у MOSFET, поэтому и рассеиваемая мощность у IGBT больше, вместе с тем температура перехода в процессе работы ключа растет интенсивнее, поэтому важно правильно подобрать радиатор к ключу, грамотно рассчитав поток тепла, приняв в расчет тепловые сопротивления всех границ сборки.
У MOSFET на высоких мощностях также растут потери на нагрев, сильно превосходя потери на управление затвором IGBT. При мощностях выше 300-500Вт и на частотах в районе 20-30 кГц преимущество будет за IGBT-транзисторами.
Вообще, для каждой задачи выбирают свой тип ключа, и есть определенные типовые воззрения на этот аспект. MOSFETы подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В — зарядные устройства, импульсные блоки питания, компактные инверторы небольшой мощности и т. д. — подавляющее большинство из них собирают сегодня на MOSFET.
IGBT хорошо работают на частотах до 20 кГц при напряжениях питания 1000 и более вольт — частотные преобразователи, ИБП и т. п. — вот низкочастотный сегмент силовой техники для IGBT-транзисторов.
В промежуточной нише — от 300 до 1000 вольт, на частотах порядка 10 кГц, — подбор полупроводникового ключа подходящей технологии осуществляют сугубо индивидуально, взвешивая все за и против, включая цену, габариты, КПД и другие факторы.
Между тем нельзя однозначно сказать, что в одной типовой ситуации подойдет именно IGBT, а в другой — только MOSFET. Необходимо комплексно подходить к разработке каждого конкретного устройства. Исходя из мощности прибора, режима его работы, предполагаемого теплового режима, приемлемых габаритов, особенностей управления схемой и т.д.
И главное — выбрав ключи нужного типа, разработчику важно точно определить их параметры, ибо в технической документации (в даташите) отнюдь не всегда все точно соответствует реальности. Чем более точно будут известны параметры — тем эффективнее и надежнее получится изделие, независимо от того, идет ли речь об IGBT или о MOSFET.
- Как рассчитать и подобрать гасящий конденсатор
- Делитель напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях
- Как рассчитать радиатор для транзистора
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями:
IGBT-транзисторы — основные компоненты современной силовой электроники
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.
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.
- Как проверить полевой транзистор
- Методы поиска неисправностей в электронных схемах
- Микросхема 4046 (К564ГГ1) для устройств с удержанием резонанса — принцип работы
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями: