K čemu slouží IGBT tranzistor?

IGBT tranzistory nebo bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (Insulated-Gate Bipolar Transistor) jsou výkonná spínací polovodičová zařízení, která jsou integrální strukturou sestávající ze vstupního tranzistoru s efektem pole a výkonového bipolárního tranzistoru. 99,999 % použito jako klíčová zařízení. Z hlediska elektrických vlastností představují „grapefruit“ izolovaného hradlového tranzistoru s efektem pole a bipolárního tranzistoru. IGBT tranzistor je řízen napětím jako tranzistor s efektem pole, když je zapnutý, má určité saturační napětí obvodu kolektor-emitor; relativně pomalé vypínání („proudový konec“, jako základ zděděný od bipolárních tranzistorů). Více podrobností o vnitřní struktuře IGBT tranzistorů je popsáno v [Encyclopedia of devices based on field-effect transistors. Dyakonov V.P. a další. 2002. 512 s.]. První výkonné tranzistory s efektem pole byly vytvořeny v SSSR.

Téměř všechny vyráběné IGBT tranzistory jsou n-kanálové. Teoreticky stávající p-kanálové IGBT tranzistory nejsou na trhu dostupné kvůli nedostatku poptávky.

Klíčové výhody IGBT tranzistorů jsou:

— vysoké spínací výkony;

— vysoké hodnoty provozního napětí;

— odolnost proti proudovému přetížení;

– nízký ovládací výkon.

Oblasti použití IGBT tranzistorů:

— ve výkonových pulzních měničích a invertorech (s výkonem vyšším než 1 kW);

— v systémech indukčního ohřevu;

— v systémech řízení motoru (pohony s proměnnou frekvencí).

IGBT tranzistory se tedy používají pouze jako klíčové prvky.

V mnoha případech IGBT tranzistory obsahují integrovanou rychlou zpětnou diodu.

Symbol a vnitřní struktura IGBT tranzistoru

Symbol a ekvivalentní zjednodušená vnitřní struktura IGBT tranzistoru a skutečný ekvivalentní obvod jsou zobrazeny na obrázku níže.

Některé typy IGBT tranzistorů mají integrovanou samostatnou reverzní vysokorychlostní diodu.

Základní parametry IGBT tranzistoru

Níže jsou uvedeny hlavní parametry IGBT tranzistoru, které jsou uvedeny v katalogových listech.

1. Maximální napětí mezi kolektorem a emitorem (napětí mezi kolektorem a emitorem nebo průrazné napětí kolektor-emitor) V_CES – maximální dovolené napětí mezi kolektorem a emitorem tranzistoru.

2. Saturační napětí V kolektor-emitor_CE(zapnuto) – pokles napětí mezi kolektorem a emitory v otevřeném stavu. Pro daný kolektorový proud a teplotu.

3. Maximální napětí mezi bránou a emitorem V_GE – maximální řídicí napětí zářiče. Při překročení tohoto napětí je možný průraz hradlového dielektrika a porucha tranzistoru.

4. Maximální kolektorový proud v trvalém režimu (Continuous Collector Current) I_C – maximální hodnota trvale protékajícího kolektorového proudu. Ve skutečnosti u IGBT tranzistorů proud výrazně závisí na teplotě skříně tranzistoru a provozní proud je udáván pro dvě hodnoty teploty 25°C a 100°C.

5. Maximální pulzní kolektorový proud I_СM — maximální hodnota pulzního proudu kolektorem. Závisí na faktoru plnění a podmínkách odvodu tepla. Zásadně omezená disipační energií krystalu.

6. Prahové napětí brány V_GE(th) – hradlové napětí, při kterém tranzistor začíná přecházet do vodivého stavu.

7. Teplotní koeficient průrazného napětí ∆V_(BR)CES/∆T_J – koeficient ukazující pokles maximálního napětí kolektor-emitor s rostoucí teplotou.

8. Teplotní koeficient prahového napětí ∆V_GE(th)/∆TJ — koeficient ukazující pokles prahového napětí hradla s rostoucí teplotou.

9. Kolektorový proud při nulovém napětí hradla-emitoru (Zero Gate Voltage Collector Current) I_CES – unikající proud přes kolektorový přechod při vypnutém tranzistoru.

10. Dopředný pokles napětí diody V_FM — pokles napětí v propustném směru na vysokorychlostní reverzní diodě integrované do konstrukce tranzistoru.

11. Disipační energie krystalu (Single Pulse Avalanche Energy) E_AS – maximální energie, která může být rozptýlena na krystalu tranzistoru, aniž by došlo k jeho zničení.

12. Maximální ztrátový výkon P_D – maximální tepelný výkon, který lze odebrat z těla tranzistoru (při dané teplotě těla tranzistoru).

13. Rozsah provozních teplot – rozsah teplot, ve kterém smí tranzistor pracovat.

14. Tepelný odpor tranzistoru-vzduch R_θJA (Junction-to-Ambient) – maximální tepelný odpor tranzistoru-vzduch (podléhá volné konvekční výměně tepla).

15. Tepelný odpor krystalu tranzistoru – tělo tranzistoru (Junction-to-Case – IGBT) R_θJC — maximální tepelný odpor přechodu mezi krystalem tranzistoru a tělem tranzistoru.

16. Tepelný odpor krystalu diody – tělo tranzistoru (Junction-to-Case – Diode) R_θJC— maximální tepelný odpor přechodu mezi integrovaným diodovým krystalem a tělem tranzistoru.

17. Svodový proud mezi bránou a emitorem I_GES – proud hradla při určitém (obvykle maximálním) napětí hradla-zdroje.

18. Celkový poplatek za bránu Q_g – celkový náboj hradla potřebný k převedení tranzistoru do vodivého stavu.

19. Nabíjení zdroje brány (Gate – Emitter Charge) Q_ge – nabití kapacity hradla-emitoru.

20. Poplatek za bránu (brána – sběrač) Q_gc – nabití kapacity hradlového kolektoru.

21. Zpoždění zapnutí t_{d (zapnuto)} – doba, za kterou tranzistor akumuluje náboj hradla, při kterém se tranzistor začne otevírat.

22. Doba náběhu proudu tranzistorem – doba, za kterou se kolektorový proud tranzistoru zvýší z 10 % na 90 %.

23. Doba zpoždění vypnutí t_{d (vypnuto)} – doba, během které se náboj hradla sníží než spínací náboj a tranzistor se začne zavírat.

24. Doba poklesu proudu tranzistorem (Fall Time) – doba, během níž kolektorový proud tranzistoru klesne z 10 % na 90 %.

25. Energetická ztráta pro sepnutí tranzistoru (Turn-On Switching Loss) E_on – energie uvolněná v krystalu během přechodového procesu sepnutí tranzistoru při daném napětí kolektor-emitor, napětí hradla a proudu kolektoru.

26. Energetická ztráta pro vypnutí tranzistoru (Turn-Off Switching Loss) E_off – energie uvolněná v krystalu během přechodového procesu vypínání tranzistoru při daném napětí kolektor-emitor, napětí hradla a proudu kolektoru.

27. Celkové energetické ztráty pro zapnutí a vypnutí tranzistoru (Total Switching Loss) E_ts– celková ztráta energie za provozní cyklus zapínání a vypínání tranzistoru při daném napětí kolektor-emitor, napětí hradla a proudu kolektoru.

28. Maximální rychlost nárůstu napětí zdroj-odvod (drsnost dv/dt) – maximální rychlost nárůstu napětí zdroj-odvod, při které tranzistor ještě nepřechází do vodivého stavu.

29. Vnitřní indukčnost emitoru L_E – parazitní indukčnost výstupu tranzistorového emitoru.

30. Maximální rychlost přerušení proudu během přechodu do nevodivého stavu (Diode PeakRate of Fall of Recovery) (di_(rec)M/dt) je maximální rychlost přerušení proudu integrovanou diodou při přechodu do nevodivého stavu vlivem změny polarity.

31. Nepřetržitý proud diody zdroje-odvod I_S – maximální hodnota trvale protékajícího stejnosměrného proudu parazitní pn diodou.

32. Dopředný proud pulzní diody I_SM – maximální hodnota trvale protékajícího stejnosměrného proudu parazitní pn diodou.

33. Napětí V tělese diody_SD – pokles napětí v propustném směru na diodě. Při dané teplotě a zdrojovém proudu.

34. Doba zotavení tělesa diody t_rr — doba zotavení zpětné vodivosti parazitní diody.

35. Body Diode Reverse Recovery Charge, Reverse Recovery Charge Q_rr – náboj potřebný k obnovení zpětné vodivosti parazitní diody.

36. Dopředný čas zapnutí t_on — doba přechodu diody do vodivého stavu. Obvykle je zanedbatelně malý.

37. Vstupní kapacita C_y – součet kapacit hradlo-kolektor a hradlo-emitor (při určitém napětí kolektor-emitor).

38. Výstupní kapacita C_Oes – součet kapacit hradlo-kolektor a kolektor-emitor (při určitém napětí kolektor-emitor).

39. Kapacita zpětného přenosu C_res – kapacita hradlového kolektoru.

IGBT tranzistorové parazitní kapacity

Parazitní kapacity IGBT tranzistoru (obrázek IGBT.2) způsobují pokles jeho výkonu.

Klasifikace IGBT tranzistorů podle rychlosti

Na základě rychlosti spínání jsou IGBT tranzistory rozděleny do čtyř skupin, jak je uvedeno v tabulce IGBT.1:

Tabulka IGBT.1 Klasifikace IGBT tranzistorů podle spínací rychlosti [Výkonné a účinné IGBT sedmé generace z IR. Doncov Alexandr. Výkonová elektronika č. 5, 2013].

Typ

F, kHz

S-Standard (standardní)

Bipolární tranzistory s izolovaným hradlem jsou široce používány ve výkonové elektronice. Jedná se o spolehlivé a levné součástky, které se ovládají přivedením napětí na prvek izolovaný od obvodu. IGBT je tranzistor, jehož princip činnosti je extrémně jednoduchý. Používá se v invertorech, řídicích systémech elektrických pohonů a spínaných zdrojích.

Příběh

První tranzistory s efektem pole byly vyvinuty v roce 1973 a o 6 let později se objevily řízené bipolární modely, které využívaly izolované hradlo. Jak se technologie zdokonalovala, účinnost a kvalita provozu takových prvků se výrazně zlepšila a s rozvojem výkonové elektroniky a automatických řídicích systémů se rozšířily, najdeme je dnes téměř v každém elektrickém spotřebiči.

Dnes se používají elektronické součástky druhé generace, které jsou schopny spínat elektrický proud v rozsahu až několika stovek Ampér. Provozní napětí IGBT tranzistorů se pohybuje od stovek až po tisíce voltů. Zdokonalující se technologie elektrotechnické výroby umožňují vyrábět vysoce kvalitní tranzistory, které zajišťují stabilní provoz elektrických spotřebičů a napájecích zdrojů.

Klíčové vlastnosti

Princip činnosti tranzistorů a jejich charakteristiky budou přímo záviset na typu zařízení a jeho konstrukci. Mezi hlavní parametry polovodičů patří:

• Maximální přípustný proud.
• Indikátor řídicího napětí.
• Vnitřní odpor.
• Doba zpoždění připojení a vypnutí.
• Parazitní indukčnost.
• Vstupní a výstupní kapacita.
• Saturační napětí emitoru a kolektoru.
• Vypínací proud emitoru.
• Průrazné napětí kolektoru a emitoru.

Výkonné IGBT tranzistory, které se používají v invertorových zdrojích, jsou dnes široce používány. Taková zařízení současně kombinují výkon, vysokou přesnost provozu a minimální parazitní indukčnost. Regulátory rychlosti používají IGBT s frekvencemi desítek tisíc kHz, což nám umožňuje zajistit nejvyšší možnou přesnost provozu přístroje.

Výhody a nevýhody

Dnes v prodeji si můžete vybrat různé modely polovodičů, které se budou lišit svou pracovní frekvencí, kapacitou a řadou dalších vlastností. Obliba IGBT tranzistorů je dána jejich výbornými parametry, vlastnosti a četné výhody:

• Možnost provozu s vysokým výkonem a zvýšeným napětím.
• Pracujte při vysokých teplotách.
• Minimální ztráta proudu při otevření.
• Odolnost proti zkratu.
• Zvýšená hustota.
• Téměř úplná absence ztrát.
• Jednoduchý paralelní obvod.

Nevýhody IGBT zahrnují jejich vysokou cenu, což vede k mírnému zvýšení nákladů na výrobu elektrických spotřebičů a výkonných napájecích zdrojů. Při plánování schématu zapojení s tranzistory tohoto typu je nutné vzít v úvahu stávající omezení maximálního přípustného proudu. Chcete-li vyřešit takové problémy, Lze použít následující konstrukční řešení:

• Použití přechodného řešení.
• Výběr odporu brány.
• Správný výběr indikátorů ochranného proudu.

Elektrické obvody zařízení by měly být vyvíjeny výhradně odborníky, což zajistí správný chod zařízení, absenci zkratů a dalších problémů s elektrickými zařízeními. Pokud máte kvalitní schéma zapojení, nebude těžké jej realizovat tím, že si sami vyrobíte napájecí jednotku, napájecí zdroj a různá zařízení.

Zařízení a princip činnosti

Vnitřní struktura IGBT tranzistoru se skládá ze dvou kaskádových elektronických spínačů, které ovládají konečný výstup. V každém konkrétním případě, v závislosti na výkonu a dalších indikátorech, se konstrukce zařízení může lišit, včetně dalších bran a dalších prvků, které zlepšují výkon a přípustné napětí a poskytují schopnost pracovat při teplotách nad 100 stupňů.

Polovodiče typu IGBT mají standardizovanou kombinovanou strukturu a následující označení:

• K – sběratel.
• E – emitor.
• Z – závěrka.

Princip činnosti tranzistoru je velmi jednoduchý. Jakmile je na něj aplikováno kladné potenciální napětí, otevře se n-kanál v hradle a zdroji tranzistoru s efektem pole, což má za následek pohyb nabitých elektronů. Tím se vybudí činnost bipolárního tranzistoru, načež začne proudit elektrický proud z emitoru přímo do kolektoru.

Hlavním účelem IGBT tranzistorů je přiblížit je bezpečné hodnotě obvodových proudů. Takové proudy mohou omezovat napětí brány různými způsoby.

Propojeno s indikátorem nastaveného napětí. Budič brány musí mít konstantní parametry, čehož je dosaženo přidáním Schottkyho diody do obvodu zařízení. Tím je zajištěno snížení indukčnosti v napájecích a hradlových obvodech.

Údaje o napětí jsou omezené kvůli přítomnosti zenerovy diody v obvodu emitoru a hradla. Vynikající účinnosti takových IGBT tranzistorů je dosaženo instalací přídavných diod na svorky modulu. Použité komponenty musí mít vysokou teplotní nezávislost a nízkou disperzi.

V obvodu může být zahrnut emitor se zápornou zpětnou vazbou. To je možné v případech, kdy je ovladač brány připojen ke svorkám modulu.

Správná volba typu tranzistoru zajistí stabilní provoz napájecích zdrojů a dalších elektrických spotřebičů. Pouze v tomto případě můžeme zaručit zcela bezpečný provoz elektroinstalace při zkratech a v nouzových provozních režimech zařízení.

Rozsah použití

Dnes se IGBT tranzistory používají v sítích s indikátorem napětí do 6,5 kW, při zajištění bezpečného a spolehlivého provozu elektrických zařízení. Je možné použít invertor, frekvenční pohony, svářečky a pulzní regulátory proudu.

Odrůdy IGBT pro těžký provoz se používají ve výkonných řídicích pohonech pro trolejbusy a elektrické lokomotivy. Jejich použití umožňuje zvýšení účinnosti, zajištění co nejhladšího chodu zařízení a rychlé řízení výkonu elektromotorů na jejich plný výkon. Výkonové tranzistory se používají ve vysokonapěťových obvodech. Používají se v obvodech domácích klimatizací, myček nádobí, napájecích zdrojů v telekomunikačních zařízeních a v zapalováních automobilů.

Kontrola stavu

Kontrola a testování IGBT polovodičů se provádí za přítomnosti závad na elektrických zařízeních. Tento test se provádí pomocí multitesteru, kdy se kolektory a elektrody prozvoní emitorem ve dvou směrech. To vám umožní stanovit funkčnost tranzistoru a eliminovat nedostatek zkratu. Při kontrole je nutné záporně nabít vstup hradla pomocí multimetrových sond typu COM.

Pro kontrolu správné činnosti tranzistoru na vstupu a výstupu hradla nabijte kapacitu kladným pólem. Toto nabíjení se provádí krátkým dotykem brány sondou, po kterém se zkontroluje rozdíl potenciálů mezi kolektorem a emitorem. Tyto potenciály by neměly mít odchylku větší než 1,5 V. Pokud se testuje výkonný IGBT a tester nestačí na kladné nabití, přivede se na bránu napájecí napětí až 15 Voltů.

Výkonné moduly

Výkonové tranzistory se vyrábějí nejen jako jednotlivé polovodiče, ale také jako sestavené moduly připravené k použití. Taková zařízení jsou součástí výkonných frekvenčních měničů pro řízení elektromotorů. V každém konkrétním případě se schéma a princip činnosti modulu bude lišit v závislosti na jeho typu a účelu. Nejčastěji taková zařízení používají můstek ze dvou výkonových tranzistorů.

Stabilní IGBT provoz je zajištěn na frekvenci 150 kHz. Se zvyšující se pracovní frekvencí mohou narůstat ztráty, což negativně ovlivňuje stabilitu elektrických spotřebičů. Výkonové tranzistory vykazují všechny své výhody a schopnosti při použití s ​​napětím vyšším než 400 voltů. Proto se takové polovodiče nejčastěji používají v průmyslových zařízeních a vysokonapěťových elektrických spotřebičích.