IGBT: er är huvudkomponenterna i modern kraftelektronik

En IGBT-transistor (kortfattad för engelska Bipolär transistor med isolerade grindar) eller en bipolär transistor med grindövervakning (förkortad IGBT) är en tre-terminal halvledaranordning som kombinerar en bipolär effekteffekt och en fälteffekttransistor som styr den i ett hölje.

IGBT-transistorer är idag huvudkomponenterna i kraftelektronik (kraftfulla växelriktare, växelströmförsörjning, frekvensomvandlare, etc.), där de fungerar som kraftfulla elektroniska switchar som växlar strömmar vid frekvenser uppmätt i tiotals och hundratals kilohertz. Transistorer av denna typ produceras både i form av separata komponenter och i form av specialiserade kraftmoduler (enheter) för styrning av trefaskretsar.

Det faktum att IGBT-transistorn inkluderar transistorer av två typer samtidigt (kaskad) gör att du kan kombinera fördelarna med två tekniker i en halvledaranordning.

En bipolär transistor som en krafttransistor gör att du kan få en större driftspänning, medan kanalmotståndet i öppet tillstånd är proportionellt mot strömmen i den första graden, och inte med kvadratet för strömmen som konventionella fälteffekttransistorer. Och det faktum att det är fälteffekttransistorn som används som styrtransistor reducerar strömförbrukningen för nyckelstyrning till ett minimum.

Elektrodernas namn kännetecknar strukturen för IGBT-transistorn: styrelektroden kallas grinden (som en fälteffekttransistor), och elektroderna i kraftkanalen kallas kollektorn och emittern (som en bipolär transistor).

Lite historia

Historiskt har bipolära transistorer använts på lika villkor. med tyrister som kraftelektroniska nycklar fram till 90-talet. Men nackdelarna med bipolära transistorer var alltid uppenbara: en stor basström, långsam avstängning och överhettning av kristallen, ett starkt temperaturberoende av huvudparametrarna och en begränsad mättningsspänning för uppsamlare-emitter.

Fälteffekttransistorerna (MOS-strukturer) som dök upp senare omedelbart förändrade situationen till det bättre: spänningskontroll kräver inte längre så stora strömmar, omkopplarnas parametrar är svagt beroende av temperatur, transistorns driftspänning är inte begränsad underifrån, den låga motståndskraften för kraftkanalen i öppet tillstånd utvidgar driften av driftsströmmar, omkopplingsfrekvensen kan lätt nå hundratals kilohertz, dessutom är fälteffekttransistorns förmåga att motstå starka dynamiska belastningar vid höga driftspänningar anmärkningsvärt.

Eftersom kontrollen av en fälteffekttransistor implementeras mycket enklare och det visar sig i form av kraft mycket enklare än bipolär, och dessutom finns det en begränsande diod, - fälteffekttransistorer fick omedelbart popularitet i högfrekvensomkopplingsspänningsomvandlare, liksom i klass D-akustiska förstärkare.

Vladimir Dyakonov

Den första kraftfälteffekttransistorn utvecklades av Viktor Bachurin tillbaka i Sovjetunionen 1973, varefter den undersöktes under övervakning av forskaren Vladimir Dyakonov. Undersökningar av Dyakonov-gruppen beträffande nyckelegenskaperna hos en kraftfälteffekttransistor ledde till utvecklingen 1977 av en sammansatt transistoromkopplare, inuti vilken en bipolär transistor styrdes av en fälteffektomkopplare med en isolerad grind.

Forskare har visat effektiviteten hos detta tillvägagångssätt när strömdelens aktuella egenskaper bestäms av en bipolär transistor, och styrparametrarna bestäms av fältet. Dessutom elimineras den bipolära transistorns mättnad, vilket innebär att fördröjningen när den stängs av reduceras. Detta är en viktig fördel med valfri strömnyckel.

På en halvledaranordning av en ny typ erhöll sovjetiska forskare upphovsrättscertifikat nr 757051 ”Pobistor”. Detta var den första strukturen som innehöll en kraftfull bipolär transistor i ett hölje, på vilken det fanns en kontrollfälteffekttransistor med en isolerad grind.

När det gäller industriell implementering, patenterade redan 1983 Intarnational Rectifier den första IGBT-transistorn. Och två år senare utvecklades en IGBT-transistor med platt struktur och högre driftspänning. Detta gjordes samtidigt i laboratorierna i två företag - General Electric och RCA.

De första versionerna av bipolära transistorer med isolerad grind hade en stor nackdel - långsam växling. Namnet IGBT antogs på 90-talet, då den andra och tredje generationen av IGBT-transistorer skapades. Då var dessa brister borta.

Utmärkande fördelar med IGBT: er

Jämfört med konventionella fälteffekttransistorer har IGBT: er högre ingångsimpedans och lägre effekt som spenderas på grindstyrning.

Till skillnad från bipolära transistorer finns det en lägre restspänning när den är på. Förluster i öppet tillstånd, även vid höga driftspänningar och strömmar, är ganska små. I det här fallet är konduktiviteten som en bipolär transistor, och nyckeln styrs av spänning.

Räckvidden för driftspänningsuppsamlare för de flesta tillgängliga modeller varierar från tiotals volt till 1200 eller fler volt, medan strömmar kan nå upp till 1000 eller fler ampère. Det finns enheter för hundratusentals volt i spänning och strömmar av hundratals ampere.

Det antas att fälteffekttransistorer är bättre lämpade för spänningar upp till 500 volt, och IGBT-transistorer är lämpliga för spänningar större än 500 volt och strömmar större än 10 ampere, eftersom lägre kanalmotstånd i öppet tillstånd är extremt viktigt vid lägre spänningar.

IGBT-transistorer

Den huvudsakliga tillämpningen av IGBT-transistorer finns i växelriktare, omkopplingsspänningsomvandlare och frekvensomvandlare (till exempel halvbryggmodulen SKM 300GB063D, 400A, 600V) - där det finns högspänning och betydande effekt.

Svetsomvandlare - ett separat viktigt användningsområde för IGBT-transistorer: hög ström, effekt mer än 5 kW och frekvenser upp till 50 kHz (IRG4PC50UD - en klassiker av genren, 27A, 600V, upp till 40 kHz).

Du kan inte klara dig utan IGBT på elektrisk stadstrafik: med tyristorer visar dragmotorer lägre effektivitet än med IGBT, dessutom uppnår IGBT en jämnare körning och en bra kombination med regenererande bromssystem även vid höga hastigheter.

Det finns inget bättre än IGBT när du behöver växla vid höga spänningar (mer än 1000 V) eller styra en frekvensomriktare (frekvenser upp till 20 kHz).

På vissa kretsar är IGBT- och MOSFET-transistorer helt utbytbara, eftersom deras ledningar är likartade och kontrollprinciperna är identiska. Grindarna i detta och i det andra fallet representerar en kapacitet på upp till nanofarad-enheter, med en laddningshållbar laddning på vilken föraren installerad på en sådan krets enkelt kan hantera och ger tillräcklig kontroll.

Se även:Power MOSFET- och IGBT-transistorer, skillnader och funktioner i deras applikation