Tranzistoare IGBT - principalele componente ale electronice moderne de putere

Un tranzistor IGBT (scurt pentru tranzistorul bipolar English Insulated-gate) sau un tranzistor bipolar cu poartă izolată (prescurtat IGBT) este un dispozitiv semiconductor cu trei terminale care combină un tranzistor bipolar de putere și un tranzistor cu efect de câmp care îl controlează în interiorul unei carcase.

Tranzistoarele IGBT sunt astăzi principalele componente ale electronicelor de putere (invertoare puternice, surse de alimentare comutatoare, convertoare de frecvență etc.), unde servesc ca întrerupătoare electronice puternice, care comutează curenții la frecvențe măsurate în zeci și sute de kilohertz. Tranzistoarele de acest tip sunt produse atât sub formă de componente separate, cât și sub formă de module de putere specializate (ansambluri) pentru controlul circuitelor trifazate.

Faptul că tranzistorul IGBT include tranzistoare de două tipuri simultan (în cascadă) vă permite să combinați avantajele a două tehnologii din interiorul unui dispozitiv semiconductor.

Un tranzistor bipolar ca tranzistor de putere vă permite să obțineți o tensiune de funcționare mai mare, în timp ce rezistența canalului în stare deschisă este proporțională cu curentul în primul grad și nu cu pătratul curentului ca tranzistoare cu efect de câmp convențional. Și faptul că este un tranzistor cu efect de câmp care este utilizat ca tranzistor de control minimizează consumul de energie pentru controlul cheilor.

Numele electrozilor caracterizează structura tranzistorului IGBT: electrodul de control se numește poartă (ca un tranzistor cu efect de câmp), iar electrozii canalului de putere sunt numiți colector și emițător (ca un tranzistor bipolar).

Un pic de istorie

Istoric, tranzistorii bipolari au fost folosiți la egalitate. cu tiristorii ca chei electronice de putere până în anii 90. Dar dezavantajele tranzistoarelor bipolare au fost întotdeauna evidente: un curent de bază mare, închiderea lentă și supraîncălzirea cristalului, o dependență puternică de temperatură a parametrilor principali și o tensiune de saturație limitată a colectorului.

Tranzistorii cu efect de câmp (structuri MOS) care au apărut ulterior au schimbat imediat situația în bine: controlul tensiunii nu mai necesită curenți atât de mari, parametrii comutatorului sunt slab dependenți de temperatură, tensiunea de funcționare a tranzistorului nu este limitată de jos, rezistența scăzută a canalului de alimentare în stare deschisă extinde gama de curenți de funcționare, frecvența de comutare poate atinge cu ușurință sute de kilohertz, în plus, este de remarcat capacitatea tranzistorilor cu efect de câmp de a rezista la sarcini dinamice puternice la tensiuni mari de funcționare.

Deoarece controlul unui tranzistor cu efect de câmp este implementat mult mai ușor și se dovedește în termeni de putere mult mai ușor decât unul bipolar și, în afară de aceasta, există unul restrictiv în interior diode, tranzistorii cu efect de câmp au obținut imediat popularitate în convertoarele de tensiune de comutare de înaltă frecvență, precum și în amplificatoarele acustice din clasa D.

Vladimir Dyakonov

Primul tranzistor cu efect de câmp de putere a fost dezvoltat de Viktor Bachurin înapoi în Uniunea Sovietică în 1973, după care a fost investigat sub supravegherea savantului Vladimir Dyakonov. Investigațiile grupului Dyakonov cu privire la proprietățile cheie ale unui tranzistor cu efect de câmp de putere au dus la dezvoltarea în 1977 a unui comutator tranzistor compus, în interiorul căruia un tranzistor bipolar a fost controlat de un comutator cu efect de câmp cu o poartă izolată.

Oamenii de știință au arătat eficacitatea acestei abordări, când proprietățile actuale ale părții electrice sunt determinate de un tranzistor bipolar, iar parametrii de control sunt determinați de câmpul unu. Mai mult, saturația tranzistorului bipolar este eliminată, ceea ce înseamnă că reducerea întârzierii la oprire. Acesta este un avantaj important al oricărei taste de alimentare.

Oamenii de știință sovietici au obținut certificatul de copyright nr. 757051 „Pobistor” pentru un nou tip de dispozitiv semiconductor. Aceasta a fost prima structură care conținea un tranzistor bipolar puternic într-o carcasă, pe deasupra căruia se afla un tranzistor cu efect de câmp de control cu ​​o poartă izolată.

În ceea ce privește implementarea industrială, deja în 1983 Intarnational Rectifier a brevetat primul tranzistor IGBT. Și doi ani mai târziu, a fost dezvoltat un tranzistor IGBT cu o structură plană și o tensiune de funcționare mai mare. Acest lucru a fost realizat simultan în laboratoarele a două companii - General Electric și RCA.

Primele versiuni ale tranzistoarelor bipolare cu porți izolate au avut un dezavantaj major - comutarea lentă. Numele IGBT a fost adoptat în anii 90, când a fost creată a doua și a treia generație de tranzistoare IGBT. Atunci aceste neajunsuri au dispărut.

Beneficiile distinctive ale IGBT-urilor

În comparație cu tranzistoarele cu efect de câmp convențional, IGBT-urile au o impedanță mai mare de intrare și o putere mai mică care este cheltuită pentru controlul porții.

Spre deosebire de tranzistoarele bipolare, există o tensiune reziduală mai mică atunci când este pornită. Pierderile în stare deschisă, chiar și la tensiuni și curenți de funcționare mari, sunt destul de mici. În acest caz, conductivitatea este ca cea a unui tranzistor bipolar, iar cheia este controlată de tensiune.

Gama de emițător-colector de tensiune de funcționare pentru modelele cele mai disponibile este diferită de la zeci de volți la 1200 sau mai mulți volți, în timp ce curenții pot atinge până la 1000 sau mai mulți amperi. Există ansambluri pentru sute și mii de volți în tensiune și curenți de sute de amperi.

Se consideră că tranzistoarele cu efect de câmp sunt mai potrivite pentru tensiuni de funcționare de până la 500 de volți, iar tranzistoarele IGBT sunt potrivite pentru tensiuni mai mari de 500 de volți și curenți mai mari de 10 amperi, deoarece rezistența canalului mai mică în stare deschisă este extrem de importantă la tensiuni mai mici.

Tranzistoare IGBT

Principala aplicație a tranzistoarelor IGBT se găsește la invertoare, convertoare de tensiune de comutare și convertoare de frecvență (de exemplu, modulul semi-punte SKM 300GB063D, 400A, 600V) - unde există tensiune înaltă și putere semnificativă.

Invertoare de sudură - o zonă importantă de aplicare a tranzistoarelor IGBT: curent ridicat, putere mai mare de 5 kW și frecvențe de până la 50 kHz (IRG4PC50UD - clasic al genului, 27A, 600V, până la 40 kHz).

IGBT nu poate fi distribuit în transportul electric urban: cu tiristoarele, motoarele de tracțiune prezintă o eficiență mai mică decât cu IGBT, în plus, IGBT realizează o călătorie mai lină și o combinație bună cu sisteme de frânare regenerative chiar și la viteze mari.

Nu este nimic mai bun decât IGBT atunci când trebuie să comutați la tensiuni înalte (mai mult de 1000 V) sau să controlați o unitate de frecvență variabilă (frecvențe de până la 20 kHz).

Pe unele circuite, tranzistoarele IGBT și MOSFET sunt complet interschimbabile, deoarece identificarea lor este similară, iar principiile de control sunt identice. Porțile în acest caz și în celălalt caz reprezintă o capacitate de până la unități de nanofarad, cu o reîncărcare de reținere a sarcinii pe care șoferul instalat pe orice astfel de circuit se poate ocupa cu ușurință și asigură un control adecvat.

Vezi și:Tranzistoare MOSFET și IGBT, diferențe și caracteristici ale aplicației lor