Технологии в области силовой электроники все время совершенствуются: реле становятся твердотельными, биполярные транзисторы и тиристоры заменяются все обширнее на полевые транзисторы, новые материалы разрабатываются и применяются в конденсаторах и т. д. — всюду определенно заметна активная технологическая эволюция, которая не прекращается ни на год. С чем же это связано?

Это связано, очевидно, с тем, что в какой-то момент производители оказываются не в состоянии удовлетворить запросы потребителей на возможности и качество силового электронного оборудования: у реле искрят и обгорают контакты, биполярные транзисторы для управления требуют слишком много мощности, силовые блоки занимают неприемлемо много места и т. п. Производители конкурируют между собой — кто первым предложит лучшую альтернативу…?

Так и появились полевые MOSFET транзисторы, благодаря которым управление потоком носителей заряда стало возможным не посредством изменения тока базы, как у биполярных предков, а посредством электрического поля затвора, по сути — просто приложенным к затвору напряжением.

В итоге уже к началу 2000-х доля силовых устройств на MOSFET и IGBT составляла около 30%, в то время как биполярных транзисторов в силовой электронике осталось менее 20%. За последние лет 15 произошел еще более существенный рывок, и биполярные транзисторы в классическом понимании почти полностью уступили место MOSFET и IGBT в сегменте управляемых силовых полупроводниковых ключей.

Проектируя, к примеру, силовой высокочастотный преобразователь, разработчик уже выбирает между MOSFET и IGBT – оба из которых управляются напряжением, прикладываемым к затвору, а вовсе не током, как биполярные транзисторы, и цепи управления получаются в результате более простыми. Давайте, однако рассмотрим особенности этих самых транзисторов, управляемых напряжением затвора.

MOSFET или IGBT

У IGBT (БТИЗ-биполярный транзистор с изолированным затвором) в открытом состоянии рабочий ток проходит через p-n-переход, а у MOSFET – через канал сток-исток, обладающий резистивным характером. Вот и возможности для рассеяния мощности у этих приборов различаются, потери получаются разными: у MOSFET-полевика рассеиваемая мощность будет пропорциональна квадрату тока через канал и сопротивлению канала, в то время как у БТИЗ рассеиваемая мощность окажется пропорциональна напряжению насыщения коллектор-эмиттер и току через канал в первой степени.

Если нам нужно снизить потери на ключе, то потребуется выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением канала, однако не стоит забывать, что с ростом температуры полупроводника это сопротивление вырастет и потери на нагрев все же возрастут. А вот у IGBT с ростом температуры напряжение насыщения p-n-перехода наоборот снижается, значит и потери на нагрев уменьшаются.

Но не все так элементарно, как может показаться на взгляд неискушенного в силовой электронике человека. Механизмы определения потерь у IGBT и MOSFET в корне различаются.

Как вы поняли, у MOSFET-транзистора сопротивление канала в проводящем состоянии обуславливает определенные потери мощности на нем, которые по статистике почти в 4 раза превосходят мощность, затрачиваемую на управление затвором.

У IGBT дело обстоит с точностью до наоборот: потери на переходе меньше, а вот затраты энергии на управление — больше. Речь о частотах порядка 60 кГц, и чем выше частота — тем больше потери на управление затвором, особенно применительно к IGBT.

Дело все в том, что в MOSFET неосновные носители заряда не рекомбинируют, как это происходит в IGBT, в составе которого есть полевой MOSFET-транзистор, определяющий скорость открывания, но где база недоступна напрямую, и ускорить процесс при помощи внешних схем нельзя. В итоге динамические характеристики у IGBT ограничены, ограничена и предельная рабочая частота.

Повышая коэффициент передачи и снижая напряжение насыщения — допустим, понизим статические потери, но зато повысим потери при переключении. По этой причине производители IGBT-транзисторов указывают в документации на свои приборы оптимальную частоту и максимальную скорость переключения.

Есть недостаток и у MOSFET. Его внутренний диод отличается конечным временем обратного восстановления, которое так или иначе превышает время восстановления, характерное для внутренних антипараллельных диодов IGBT. В итоге имеем потери включения и токовые перегрузки у MOSFET в полумостовых схемах.

Теперь непосредственно про рассеиваемое тепло. Площадь полупроводниковой IGBT-структуры больше чем у MOSFET, поэтому и рассеиваемая мощность у IGBT больше, вместе с тем температура перехода в процессе работы ключа растет интенсивнее, поэтому важно правильно подобрать радиатор к ключу, грамотно рассчитав поток тепла, приняв в расчет тепловые сопротивления всех границ сборки.

У MOSFET на высоких мощностях также растут потери на нагрев, сильно превосходя потери на управление затвором IGBT. При мощностях выше 300-500Вт и на частотах в районе 20-30 кГц преимущество будет за IGBT-транзисторами.

Между тем нельзя однозначно сказать, что в одной типовой ситуации подойдет именно IGBT, а в другой — только MOSFET. Необходимо комплексно подходить к разработке каждого конкретного устройства. Исходя из мощности прибора, режима его работы, предполагаемого теплового режима, приемлемых габаритов, особенностей управления схемой и т.д.

И главное — выбрав ключи нужного типа, разработчику важно точно определить их параметры, ибо в технической документации (в даташите) отнюдь не всегда все точно соответствует реальности. Чем более точно будут известны параметры — тем эффективнее и надежнее получится изделие, независимо от того, идет ли речь об IGBT или о MOSFET.

Источник

Транзистор IGBT-принцип работы, структура, основные характеристики

Силовой транзистор IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод-«затвор», который изолирован от силовой цепи. Полное название прибора: биполярный транзистор с изолированным затвором.

Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.

Рис. №1. Эффективность использования технологий на основе мощных IGBT-транзисторов

Преобладающее значение приобрело его использование в цепях силового предназначения для частотных преобразователей, для двигателей переменного тока, мощность, которых может доходить до 1 МВт. По своим вольтамперным характеристикам он считается аналогом биполярному транзистору, однако качественные энергетические показатели и чистота коммутационных действий намного выше, чем качество работы других полупроводниковых элементов.

Постоянно совершенствующиеся технологии позволяют улучшить качественные характеристики транзисторов. Созданы элементы, рассчитанные на большую величину напряжения, выше 3 кВ и большие значения тока до нескольких сотен ампер.

Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов

Для применения в конструкции регуляторов скорости используются транзисторы, рассчитанные на рабочие частоты в пределах до нескольких десятков килогерц.

Преимущества IGBT транзисторов

При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока. Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Применение IGBT-транзистора

Одной из важных сфер использования солового транзистора – это использование в сетях с напряжением 6,5 кВ для создания безопасной и гарантированно надежной работы электроустановок в режиме короткого замыкания.

Для ограничения токов к. з. и приближению их к величине, которая не приведет к повреждениям оборудования. Они выполняют ограничение напряжения на затворе до уровня, не превышающем U = 15,3В. Это достигается с помощью применения следующих мер:

Примеры расчета IGBT-транзистора

Выбор транзистора производится по следующим условиям, например, для преобразователей напряжения с резонансным контуром.

Для подбора драйвера IGBT транзистора руководствуются параметрами управления затвора, необходимого для коммутирования отпиранием и запиранием силового полупроводника. Для определения мощности управления нужно знать величину заряда затвора Q gate, частоту коммутации (fin) и реальный замеренный размах напряжения на выходе драйвера ΔVgate

Формула заряда затвора:

где время интегрирования должно не превышать время на управление выходных напряжений драйвера до их окончательных показателей, или при достижении выходного токового значения драйвера близкого к нулю.

Выбор максимальной величины тока управления затвором определяется по упрощенной формуле:

Зависит от осцилляции величины тока на выходе. Если осцилляция тока управления затвором есть, то значение пикового тока должно быть очень большим, а его величина должна определяться исключительно с помощью измерения.

Не менее важны условия учета размаха выходного напряжения. Наихудший случай – это максимальное значение размаха на затворе, измеряется по реально существующей схеме.

Необходим учет максимальной рабочей температуры, руководствуются значением характерным для условия естественной конверсии без использования принудительного охлаждения.

Максимальная частота коммутации, она должна быть максимально-допустимая. На выбор оказывает влияние результирующая выходная мощность и рассеиваемая мощность резистора, используемого в цепи затвора.

Максимальный ток управления зависит от величины пикового тока, который может протекать через реальный контур управления затвором без появления осцилляций.

Проверка мощных IGBT-транзисторов

Проверка силового транзистора возникает при необходимости ревизии сгоревшего транзистора, например, при ремонте сгоревшего сварочного аппарата или с целью подбора пары для устройства, с тем, чтобы убедится, что это не «перемаркер». Проверку осуществляем с помощью мультиметра: прозваниваем вывода коллектора и эмиттера в обоих направлениях, так мы убедимся в отсутствии короткого замыкания. Входную емкость затвор-эмиттер заряжаем отрицательным напряжением. Осуществляется с помощью кратковременного и одновременного прикосновения щупом «СОМ» мультиметра затвора и щупом от гнезда «V/Ω/f» — эмиттера.

Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.

Для проверки необходимо убедиться в рабочей функциональности транзистора. Заряжаем емкость на входе затвор-эмитер положительным напряжением. Это можно сделать, коротко прикоснувшись щупом мультиметра «V/Ω/f» — затвора, к щупу«СОМ» — эмиттера. Проверяем напряжение между коллектором и змиттером, оно должно быть не больше 1,5В, меньшая величина напряжения характерна для низковольтных транзисторов. Если напряжения мультиметра не хватает для открытия и проверки транзистора, входная емкость может заряжаться от источника постоянного напряжения со значением до 15 в.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Источник

Igbt транзистор что это

IGBT-транзистор – гибридный прибор

IGBT-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated-Gate Bipolar Transistor) – мощные коммутационные полупроводниковые приборы представляющие собой интегральную структуру, состоящую из входного полевого транзистора и силового биполярного транзистора. Используются в 99,999% как ключевые приборы. По электрическим свойствам представляют собой «грейпфрут» полевого транзистора с изолированным затвором и биполярного транзистора. Управление IGBT-транзистором осуществляется напряжением как полевого транзистора, во включенном состоянии имеют некоторое напряжение насыщения цепи коллектор-эмиттер; сравнительно медленное выключение («токовый хвост», как рудимент, доставшийся в наследство от биполярных транзисторов). Подробнее про внутреннюю структуру IGBT-транзисторов изложено в [Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В.П. и др. СОЛОН-Пресс. 2002. 512 с.]. Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР.

Практически все выпускаемые IGBT-транзисторы n-канальные. Теоретически существующие p-канальные IGBT-транзисторы по причине невостребованности на рынке отсутствуют.

— высокие коммутируемые мощности;

— большие значения рабочего напряжения;

— устойчивость к токовым перегрузкам;

— малые мощности управления.

Области использования IGBT-транзисторов:

— в силовых импульсных преобразователях и инверторах (мощностью более 1 кВт);

— в системах индукционного нагрева;

— в системах управления двигателями (частотно-регулируемые привода).

Таким образом, IGBT-транзисторы используются только в качестве ключевых элементов.

Во многих случаях IGBT-транзисторы содержат в своем составе интегрированный быстродействующий обратный диод.

Условное обозначение и внутренняя структура IGBT-транзистора

Условное обозначение и эквивалентная упрощенная внутренняя структура IGBT-транзистора и реальная эквивалентная схема представлены на рисунке ниже.

В некоторых типах IGBT-транзисторов интегрирован отдельный реверсный быстродействющий диод.

Ниже перечислены основные параметры IGBT-транзистора, которые приводятся в справочных листках.

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-to-Emitter Voltage или Collector-to-Emitter Breakdown Voltage) V_CES – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора.

2. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер V_CE(on) – падение напряжение между коллектором и эмиттеров в открытом состоянии. При заданном токе коллектора и температуре.

3. Максимальное напряжение затвор-исток (Gate-to-Emitter Voltage) V_GE ­– максимальное управляющее напряжение затвор-эмиттер. При превышении этого напряжения возможен пробой затворного диэлектрика и выход транзистора из строя.

4. Максимальный ток коллектора в непрерывном режиме (Continuous Collector Current) I_C – максимальная величина постоянно протекающего тока коллектора. В реальности для IGBT-транзисторов ток существенно зависит от температуры корпуса транзистор и рабочий ток приводится для двух значений температуры 25° С и 100° С.

6. Пороговое напряжение затвора (Gate Threshold Voltage) V_GE(th) – напряжение затвора, при котором транзистор начинает переходить в проводящее состоянии.

7. Температурный коэффициент снижения максимального напряжение коллектор-эмиттер (Temperature Coeff. of Breakdown Voltage) ∆V_(BR)CES/∆T_J – коэффициент показывающий снижение максимального напряжение коллектор-эмиттер с увеличением температуры.

9.Ток коллектора при нулевом напряжении затвор-эмиттер (Zero Gate Voltage Collector Current) I_CES – ток утечки через коллекторный переход при выключенном состоянии транзистора.

11. Энергия рассеивания кристалла (Single Pulse Avalanche Energy) E_AS – максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения.

12. Максимальная рассеиваемая мощность (Maximum Power Dissipation) P_D – максимальная тепловая мощность, которая может быть отведена от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

17. Ток утечки затвора (Gate-to-Emitter Leakage Current) I_GES – ток затвора при некотором (как правило, максимальном) напряжении затвор-исток.

18. Общий заряд затвора (Total Gate Charge) Q_g – суммарный заряд затвора необходимый для перевода транзистора в проводящее состояние.

21. Время задержки включения (Turn-On Delay Time) t_d(on) – время за которое транзистор накапливает заряд затвора, при котором транзистор начинает открываться.

22. Время роста тока через транзистор (Rise Time) – время, за которое происходит нарастание тока коллектора транзистора от 10% до 90%.

23. Время задержки выключения (Turn-Off Delay Time) t_d(off) – время за которое заряд затвора становится меньшим заряда включения, и транзистор начинает закрываться.

26. Потери энергии на выключение транзистора (Turn-Off Switching Loss) E_off – энергия, выделяемая в кристалле при переходном процессе выключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

27. Суммарные потери энергии на включение-выключение транзистора (Total Switching Loss) E_ts— суммарные потери энергии на рабочий цикл включения-выключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

29. Индуктивность вывода стока (Internal Emitter Inductance) L_E – паразитная индуктивность вывода эмиттера транзистора.

31. Постоянный прямой ток через обратный диод (Continuous Source-Drain Diode Current) I_S – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

32. Импульсный ток через обратный диод (Pulsed Diode Forward Current) I_SM – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

33. Падение напряжения на диоде (Body Diode Voltage) V_SD – прямое падение напряжения на диоде. При заданных температуре и токе истока.

35. Заряд восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Charge, Reverse recovery charge) Q_rr – заряд, необходимый для восстановления обратной проводимости паразитного диода.

37. Входная емкость (Input Capacitance) C_ies – сумма емкостей «затвор-коллектор» и «затвор-эмиттер» (при некотором напряжении коллектор-эмиттер).

38. Выходная емкость (Output Capacitance) C_oes – сумма емкостей «затвор-коллектор» и «коллектор-эмиттер» (при некотором напряжении коллектор-эмиттер).

39. Проходная емкость (Reverse Transfer Capacitance) C_res – емкость «затвор-коллектор».

Паразитные емкости IGBT-транзистора

Паразитные емкости IGBT-транзистора (рисунок IGBT.2) являются причиной снижения его быстродействия.

Классификация IGBT-транзисторов по быстродействию

По скорости переключения IGBT-транзисторы классифицируются на четыре группы как представлено в таблице IGBT.1 :

Таблица IGBT.1 Классификация IGBT-транзисторов по скорости переключения [Мощные и эффективные IGBT седьмого поколения от IR. Донцов Александр. Силовая электроника №5, 2013].

F, кГц

E_ts, мДж

S-Standart (стандарт)

Как видно из таблицы повышение быстродействия (уменьшение потерь на переключение) сопровождается увеличением потерь на проводимость.

По сравнению с MOSFET-транзисторами IGBT-транзисторы имеют меньшую скорость переключения, но большую устойчивость к токовым перегрузкам. Потери на проводимость в MOSFET-транзисторе пропорциональны квадрату тока, а в IGBT-транзисторе пропорциональны току. По этой причине превышение номинальной величины тока критично для MOSFET-транзистора поскольку приводит к катастрофическим потерям и вполне допустимо для IGBT-транзистора. Именно по этой причине IGBT-транзисторы широко используются там, где возможны импульсные токовые перегрузки – сварочные инверторы, системы пуска двигателей и т.д.

IGBT-модули

Поскольку основной областью применения IGBT-транзисторов является мощная преобразовательная техника, то они часто соединяются в IGBT-модули (так называемые «кирпичи»), как правило, имеющие полумостовую топологию. Модули имеют интегрированные обратные диоды, отдельные силовые клеммы и выводы управляющих сигналов затворов.

В общей классификации IGBT-модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой (рисунок IGBT.3):

— двойной модуль (half-bridge), где два IGBT соединены последовательно (полумост);

— прерыватели, в которых единичный IGBT последовательно соединён с диодом;

— однофазный или трёхфазный мост.

MOSFET vs. IGBT. Области применения

Выбор типа ключевого элемента для того или иного преобразователя и стабилизатора является одним из основных вопросов. Ответ на вопрос о том, какой тип приборов MOSFET или IGBT использовать определяется рабочими характеристиками импульсного преобразователя:

Условное разграничение областей применения MOSFET и IGBT представлено на рисунке IGBT.4 [Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жёстким переключением. Александр Полищук. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Октябрь 2004. c. 8-11].

Выбор определяют следующие положения:

— с ростом частоты пропорционально возрастают динамические потери на переключение – это существенно для IGBT-транзисторов;

— с ростом мощности статические потери IGBT возрастают пропорционально коммутируемому току, а статические потери в MOSFET возрастают пропорционально квадрату коммутируемого тока;

— с ростом рабочего (максимального) напряжения свыше 1000 В сложно найти MOSFET-транзисторы применение которых было бы экономически целесообразно;

— с ростом частоты снижается коэффициент заполнения.

Источник

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.

Кратко о MOSFET

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.

МОП-транзистор:

IGBT модуль:

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Форум по обсуждению материала MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Как правильно выбрать резистор для LED, а также способы питания светодиодов.

В нескольких схемах рассмотрим, можно ли параллельно включать стабилизаторы напряжения, микросхемы типа LM317 и аналогичные.

Изучим разные типы датчиков приближения и объекты, которые они могут обнаруживать.

Источник