При параллельном включении также учитывают увеличившуюся входную емкость, драйвер управления должен обеспечить заданную скорость коммутации. Как и биполярные транзисторы, IGBT способны накапливать заряд, который является причиной остаточного тока и нагрева прибора при запирании. Между электродами и переходами полевой и биполярной элементной ячейки образуются паразитные емкости. Затвор БТИЗ (как и МОП-транзистора) для управляющей схемы эквивалентно является конденсатором с ёмкостью, достигающей единиц нанофарад (для мощных приборов), что определяет импульсный характер тока затвора. Драйвер затвора должен быть способным быстро перезаряжать эту ёмкость, чтобы обеспечить быстрое переключение транзистора. В этом случае выбирают транзисторы IGBT с одинаковым пороговым напряжением во включенном состоянии. Разница в параметрах приводит к несимметричному току на транзисторах.
Где РП – мощность потерь полупроводникового прибора, Rt h( р ) – тепловое сопротивление проводящего материала. При превышении расчетного значения допустимой величины, необходим выбор модуля с большим номинальным током. При большом запасе выбирают IGBT с меньшим номинальным током и заново выполняют расчеты. Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей. Для снижения количества внешних элементов выпускают модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты. Характеристики материала должны сохраняться при любой температуре эксплуатации на протяжении всего срока службы. Перед нанесением пасты контактные поверхности охладителя и подложки обезжиривают безворсовой тканью, смоченной в растворителе. При нанесении теплопроводящего материала избегают его попадания на радиатор и в гнезда для резьбовых соединений. Для уменьшения помех необходимо подключать драйвер к модулю витой парой или устанавливать плату на контакты управления модулем.
БТИЗ применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт). Полупроводниковые устройства могут применяться при напряжении 10 кВ и коммутации токов до 1200 А. На базе IGBT производят частотные преобразователи для электроприводов, бестрансформаторные конверторы и инверторы, сварочное оборудование, регуляторы тока для мощных приводов. Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь. Длительность импульсов напряжения выхода драйвера должна быть меньше времени коммутации транзисторов в 5-10 раз. Микросхемы вырабатывают управляющие импульсы, обеспечивают коммутацию ключей в нужном частотном диапазоне, согласовывают работу полупроводниковых устройств с блоком управления. В области частот кГц потери мощности на IGBT-транзисторах малы и не вызывают сильного нагрева, который приводит к тепловому пробою. Применение электронных ключей позволяет упростить схему преобразователей, значительно уменьшить габариты устройств, улучшить технические характеристики. Использование IGBT транзистора для переключения более наглядно можно посмотреть в следующем видео. В области стока нанесен еще один дополнительный p+-слой, который образует биполярный транзистор. На следующем рисунке показано использование IGBT транзистора для переключения в схеме. Кроме того, IGBT обеспечивает более низкое сопротивление в открытом состоянии по сравнению с биполярным транзистором, и благодаря этому свойству IGBT является термоэффективным в приложениях, связанных с высокой мощностью.
Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей.
Из-за больших токов большой ток биполярного транзистора контролируется напряжением затвора MOSFET.
Использование IGBT транзистора для переключения более наглядно можно посмотреть в следующем видео.
Разница между напряжением затвор-эмиттер называется Vge, а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .
В схемы с биполярными транзисторами приходится включать дополнительные цепи, обеспечивающие управление и защиту полупроводниковых элементов.
Применение биполярных транзисторов существенно ограничивает невысокий коэффициент передачи тока, значительный температурный разброс этого параметра, управление знакопеременным напряжением, невысокая плотность тока силовой цепи.
Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменения выходного тока к изменению напряжения на входном затворе .
Быстродействие силовых элементов с изолированным затвором превосходит скорость коммутации биполярных транзисторов, но уступает элементам MOSFET.
При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа.
Нагрузка подключается через коллектор, а резистор токовой защиты подключается к эмиттеру.
В области стока нанесен еще один дополнительный p+-слой, который образует биполярный транзистор.
В случае биполярного транзистора мы рассчитываем коэффициент усиления, обозначаемый как Бета (β), путем деления выходного тока на входной ток. Диапазон использования — от десятков до 1200 ампер по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению. В диапазоне токов до десятков ампер и напряжений до примерно 500 В целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением. MOSFET-транзисторы применяются в основном в высокочастотных низковольтных преобразователях, область применения IGBT – мощные высоковольтные схемы. Из-за больших токов большой ток биполярного транзистора контролируется напряжением затвора MOSFET. Динамические потери возникают при открывании и запирании транзистора. Они определяются по графику и зависят от частоты коммутаций, температуры, напряжения на коллекторе, тока в момент переключения. Как мы видим, его обозначение включает в себя часть коллектор-эмиттер транзистора и часть затвора МОП-транзистора. Первый промышленный образец БТИЗ был запатентован International Rectifier в 1983 году.
IGBT транзисторы
Сопротивление канала IGBT-элементов растет пропорционально току, зависимость потерь от величины тока не квадратичная, как у транзисторов MOSFET.
Первые при всех своих достоинствах не могут обеспечить необходимое быстродействие, управляемые тиристоры используют в среднечастотной области.
Таким образом, коэффициент усиления представляет собой соотношение изменений выходного напряжения с изменениями входного напряжения.
В области частот кГц потери мощности на IGBT-транзисторах малы и не вызывают сильного нагрева, который приводит к тепловому пробою.
Для ограничения перенапряжений при переключении транзисторов используют RC- и RCD-фильтры, включаемые в силовую цепь.
Но, как мы знаем, МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор МОП-транзистора отсутствует.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно включить и выключить, активировав его затвор.
Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь.
В области частот кГц ключи на транзисторах GBT значительно превосходят устройства на полупроводниковых приборах других типов.
Поэтому IGBT подходит для замены силовых биполярных транзисторов и силовых MOSFET .
При большом запасе выбирают IGBT с меньшим номинальным током и заново выполняют расчеты.
Приведем сравнительную таблицу, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT, силовым биполярным транзистором и силовым MOSFET.
Время рассасывания заряда для IGBT прибора составляет всего 0,2-1,5 мкс, при коммутации с частотой кГц для надежной работы транзисторов не нужно включать в схему дополнительные цепи. При подаче на изолированный затвор управляющего напряжения, область р образует открытый канал, включая полевой транзистор, который в свою очередь отпирает биполярный p-n-p элемент. При открытой биполярной ячейке, остаточное напряжение в n–-области падает еще благодаря потокам электронов и дырок. Сопротивление канала IGBT-элементов растет пропорционально току, зависимость потерь от величины тока не квадратичная, как у транзисторов MOSFET. Быстродействие силовых элементов с изолированным затвором превосходит скорость коммутации биполярных транзисторов, но уступает элементам MOSFET. Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи. Исходя из этого IGBT приборы (IGBT транзисторы) имеют преимущества перед приборами других типов, тем больше, чем больше рабочее напряжение ипрямой ток. Современные IGBT транзисторы могут работать на частотах до 75кГц при рабочем напряжении 1200В и токе до 78А. В PNP-транзисторе коллектор и эмиттер представляют собой путь проводимости, и когда IGBT включен через него проходит ток. Это предотвратит увеличение напряжения при резком скачке тока и выход полупроводникового устройства из режима насыщения. Для снижения выравнивающих токов в цепи эмиттера ставят резистор номиналом до 0,1 от эквивалентного сопротивления транзистора. В схемы с биполярными транзисторами приходится включать дополнительные цепи, обеспечивающие управление и защиту полупроводниковых элементов.
В правой схеме ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS .
Для эффективного охлаждения полупроводниковых модулей необходимо подготовить поверхность радиатора и обеспечить плотное прилегание подложки прибора к охладителю.
Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь.
На базе IGBT производят частотные преобразователи для электроприводов, бестрансформаторные конверторы и инверторы, сварочное оборудование, регуляторы тока для мощных приводов.
Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на кОм.
Это существенно увеличивает стоимость преобразователей и усложняет их производство.
Это то же самое, что и переключение биполярного транзистора и MOSFET.
В левом случае разность напряжений VIN, которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей/VSS, контролирует выходной ток, текущий от коллектора к эмиттеру.
Исходя из этого IGBT приборы (IGBT транзисторы) имеют преимущества перед приборами других типов, тем больше, чем больше рабочее напряжение ипрямой ток.
Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
Позднее, в 1985 году, был разработан БТИЗ с полностью планарной структурой (без V-канала) и более высокими рабочими напряжениями. Это произошло почти одновременно в лабораториях фирм General Electric (Скенектади, штат Нью-Йорк) и RCA (Принстон, штат Нью-Джерси). Второе (появилось в 1990-е годы) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавлено от этих недостатков. Полевые МОП-транзисторы легко управляются, что свойственно транзисторам с изолированным затвором, и имеют встроенный диод утечки для ограничения случайных бросков тока. Типичные применения этих транзисторов — импульсные преобразователи напряжения с высокими рабочими частотами, аудиоусилители (так называемого класса D). В области частот кГц ключи на транзисторах GBT значительно превосходят устройства на полупроводниковых приборах других типов.
Основные полупроводниковые элементы силовой электроники сейчас – полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). В левом случае разность напряжений VIN, которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей/VSS, контролирует выходной ток, текущий от коллектора к эмиттеру. Разница напряжений между VCC и GND практически одинакова на нагрузке. If you liked this article and you would certainly like to get more facts concerning https://ebvnews.ru/ebv/igbt/ kindly see the website. Но в случае IGBT, как и в случае с MOSFET, нам необходимо обеспечить постоянное напряжение на затворе, а насыщение поддерживается в постоянном состоянии. Стандартные силовые биполярные транзисторы имеют очень медленный отклик, тогда как MOSFET подходят для приложений с быстрым переключением, но MOSFET является дорогостоящим выбором, когда требуется более высокий номинальный ток. Поэтому IGBT подходит для замены силовых биполярных транзисторов и силовых MOSFET .