IGBT tranzistori - glavne komponente moderne energetske elektronike

IGBT tranzistor (skraćenica za engleski bipolarni tranzistor s izoliranim vratima) ili izolirani bipolarni tranzistor s kapijom (skraćeno IGBT) je trokanalni poluvodički uređaj koji kombinira energetski bipolarni tranzistor i tranzistor s efektom polja koji upravlja njime unutar jednog kućišta.

IGBT tranzistori su danas glavne komponente energetske elektronike (moćni pretvarači, sklopni izvori napajanja, pretvarači frekvencije itd.), Gdje služe kao moćni elektronički prekidači koji prebacuju struje na frekvencijama izmjerenim u desecima i stotinama kiloherca. Tranzistori ove vrste proizvode se i u obliku zasebnih komponenata, i u obliku specijaliziranih modula napajanja (sklopova) za upravljanje trofaznim krugovima.

Činjenica da IGBT tranzistor uključuje dvije vrste tranzistora odjednom (kaskadno) omogućuje vam kombiniranje prednosti dviju tehnologija unutar jednog poluvodičkog uređaja.

Bipolarni tranzistor kao tranzistor snage omogućuje vam dobivanje većeg radnog napona, dok je otpor kanala u otvorenom stanju proporcionalan struji u prvom stupnju, a ne kvadratu struje kao konvencionalni tranzistori s efektom polja, Činjenica da se radi o tranzistoru s efektom polja koji se koristi kao upravljački tranzistor smanjuje potrošnju energije za ključno upravljanje na minimum.

Nazivi elektroda karakteriziraju strukturu IGBT tranzistora: upravljačka elektroda naziva se vrata (poput tranzistora s efektom polja), a elektrode naponskog kanala nazivaju se sakupljač i odašiljač (poput bipolarnog tranzistora).

Malo povijesti

Povijesno su bipolarni tranzistori korišteni podjednako. s tiristorima kao energetski elektronički ključevi sve do 90-ih. Ali, nedostaci bipolarnih tranzistora bili su uvijek očiti: velika osnovna struja, sporo gašenje i pregrijavanje kristala, snažna temperaturna ovisnost glavnih parametara i ograničen napon zasićenja kolektora i emitra.

Tranzistori polja s efektom polja (MOS strukture) koji su se pojavili kasnije odmah su promijenili situaciju na bolje: kontrola napona više ne zahtijeva tako velike struje, parametri prekidača slabo ovise o temperaturi, radni napon tranzistora nije ograničen odozdo, mali otpor naponskog kanala u otvorenom stanju proširuje raspon radnih struja, preklopna frekvencija lako može doseći stotine kiloherca, osim toga, značajka tranzistora s efektom polja da izdrži snažna dinamička opterećenja pri visokim radnim naponima.

Kako je upravljanje tranzistorom s efektom polja mnogo jednostavnije i snažnije od bipolarnog, unutra je restriktivni. dioda, - tranzisteri s efektom polja odmah su stekli popularnost u visokofrekventnim pretvorničkim naponskim pretvornicima, kao i u zvučnim pojačalima klase D.

Vladimir Djakonov

Prvi tranzistor s efektnim poljem snage razvio je Viktor Bachurin još u Sovjetskom Savezu 1973., nakon čega je istražen pod nadzorom znanstvenika Vladimira Djakonova. Istraživanja skupine Djakonov u vezi s ključnim svojstvima tranzistora s efektom napona doveli su do razvoja 1977. kompozitnog tranzistorskog prekidača, unutar kojeg je bipolarni tranzistor bio kontroliran poljskim efektom prekidača s izoliranim vratima.

Znanstvenici su pokazali učinkovitost ovog pristupa kada trenutna svojstva jedinice snage određuju bipolarni tranzistor, a regulacijski parametri određeni su poljskim. Štoviše, eliminira se zasićenost bipolarnog tranzistora, što znači da je kašnjenje kad je isključen smanjeno. Ovo je važna prednost bilo koje tipke za uključivanje.

Sovjetski znanstvenici pribavili su potvrdu o autorskom pravu br. 757051 "Pobistor" za novi tip poluvodičkih uređaja. Ovo je prva konstrukcija koja je u jednom kućištu sadržavala snažni bipolarni tranzistor, na vrhu kojeg je upravljao tranzistor s efektom polja s izoliranom kapom.

Što se tiče industrijske primjene, već je 1983. Intarnacionalni ispravljač patentirao prvi IGBT tranzistor. A dvije godine kasnije razvijen je IGBT tranzistor s ravnom strukturom i većim radnim naponom. To je učinjeno istovremeno u laboratorijima dviju kompanija - General Electric i RCA.

Prve verzije bipolarnih tranzistora s izoliranim vratima imale su jedan glavni nedostatak - sporo prebacivanje. Naziv IGBT usvojen je 90-ih godina, kada su stvorene druga i treća generacija IGBT tranzistora. Tada tih nedostataka više nije bilo.

Različite prednosti IGBT-a

U usporedbi s konvencionalnim tranzistorima s efektom polja, IGBT-ovi imaju veću ulaznu impedansu i manju snagu koja se troši na kontrolu vrata.

Za razliku od bipolarnih tranzistora, postoji manji zaostali napon kad je uključen. Gubici u otvorenom stanju, čak i pri visokim radnim naponima i strujama, su prilično mali. Provodljivost je u ovom slučaju slična bipolarnom tranzistoru, a ključ se kontrolira naponom.

Raspon radnog naponskog kolektora-emitera za većinu dostupnih modela varira od desetaka volti do 1200 ili više volti, dok struje mogu doseći i do 1000 ili više ampera. Postoje sklopovi za stotine i tisuće volti napona i struje stotina ampera.

Vjeruje se da su tranzistori s efektom polja prikladniji za radne napone do 500 volti, a IGBT tranzistori prikladni su za napone veće od 500 volti i struje veće od 10 ampera, jer je niži otpor kanala u otvorenom stanju izuzetno važan pri nižim naponima.

IGBT tranzistora

Glavna primjena IGBT tranzistora nalazi se u pretvaračima, preklopnim pretvaračima napona i pretvaračima frekvencije (na primjer, polu-most modul SKM 300GB063D, 400A, 600V) - gdje postoji visoki napon i značajna snaga.

Pretvarači za zavarivanje - posebno važno područje primjene IGBT tranzistora: velika struja, snaga veća od 5 kW i frekvencije do 50 kHz (IRG4PC50UD - klasika žanra, 27A, 600V, do 40 kHz).

U gradskom električnom prijevozu ne možete bez IGBT-a: s tiristorima vučni motori pokazuju nižu učinkovitost nego s IGBT-om, štoviše IGBT postiže glatku vožnju i dobru kombinaciju s regenerativnim kočnim sustavima čak i pri velikim brzinama.

Ne postoji ništa bolje od IGBT-a kada trebate prebaciti na visoki napon (više od 1000 V) ili upravljati pogonom promjenjive frekvencije (frekvencije do 20 kHz).

U nekim sklopovima IGBT i MOSFET tranzistori su potpuno zamjenjivi, budući da je njihov pinout sličan, a principi upravljanja identični. Kapije u ovom i drugom slučaju predstavljaju kapacitet do nanofarada, s ponovnim punjenjem na kojem se vozač instaliran na bilo koji takav krug može lako rukovati i omogućuje odgovarajuću kontrolu.

Vidi također:Snaga MOSFET i IGBT tranzistora, razlike i značajke njihove primjene