IGBT транзисторы: принцип работы, разновидности полупроводников, основные параметры силовых компонентов

Обновлено: 26.04.2024

Биполярные транзисторы с изолированным затвором широко используются в силовой электронике. Это надежные и недорогие компоненты, управляющиеся путем подачи напряжения на изолированный от цепи элемент. IGBT — транзистор, принцип работы которого чрезвычайно прост. Используется он в инверторах, системах управления электроприводами и импульсных источниках питания.

Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции. К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:

Преимущества и недостатки

Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик.

Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами, характеристиками и многочисленными преимуществами:

Возможность эксплуатации с высокой мощностью и повышенным напряжением.
Работа при высокой температуре.
Минимальные потери тока в открытом виде.
Устойчивость к короткому замыканию.
Повышенная плотность.
Практически полное отсутствие потерь.
Простая параллельная схема.

К недостаткам IGBT относят их высокую стоимость, что приводит к некоторому увеличению расходов на изготовление электроприборов и мощных блоков питания. При планировании схемы подключения с транзисторами этого типа необходимо учитывать имеющиеся ограничения по показателю максимально допустимого тока.

Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:

Использование обходного пути коммутации.
Выбор сопротивления затвора.
Правильный подбор показателей тока защиты.

Электросхемы устройств должны разрабатывать исключительно профессионалы, что позволит обеспечить правильность работы техники, отсутствие коротких замыканий и других проблем с электроприборами. При наличии качественной схемы подключения, реализовать ее не составит труда, выполнив своими руками силовой блок, питание и различные устройства.

Устройство и принцип работы

Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

К — коллектор.
Э — эмиттер.
З — затвор.

Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.

Основным назначением IGBT транзисторов является их приближение к безопасному значению токов замыкания. Такие токи могут ограничивать напряжение затвора различными методами.

Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.

Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.

В цепь может включаться эмиттер с отрицательной обратной связью. Подобное возможно в тех случаях, когда драйвер затвора подключён к клеммам модуля.

Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов. Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.

Сфера использования

Сегодня IGBT транзисторы применяются в сетях с показателем напряжения до 6,5 кВт, обеспечивая при этом безопасную и надежную работу электрооборудования. Имеется возможность использования инвертора, частотно регулируемых приводов, сварочных аппаратов и импульсных регуляторов тока.

Сверхмощные разновидности IGBT используются в мощных приводах управления троллейбусов и электровозов. Их применение позволяет повысить КПД, обеспечив максимально возможную плавность хода техники, оперативно управляя выходом электродвигателей на их полную мощность. Силовые транзисторы применяются в цепях с высоким напряжением. Они используются в схемах бытовых кондиционеров, посудомоечных машин, блоков питания в телекоммуникационном оборудовании и в автомобильном зажигании.

История появления

Первые полевые транзисторы были разработаны в 1973 году, а уже спустя 6 лет появились управляемые биполярные модели, в которых использовался изолированный затвор. По мере совершенствования технологии существенно улучшились показатели экономичности и качества работы таких элементов, а с развитием силовой электроники и автоматических систем управления они получили широкое распространение, встречаясь сегодня практически в каждом электроприборе.

Сегодня используются электронные компоненты второго поколения, которые способны коммутировать электроток в диапазоне до нескольких сотен Ампер. Рабочее напряжение у IGBT — транзисторов колеблется от сотен до тысячи Вольт. Совершенствующие технологии изготовления электротехники позволяют выполнять качественные транзисторы, обеспечивающие стабильную работу электроприборов и блоков питания.

Основные характеристики

Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности. В регуляторах скорости применяются IGBT с частотой в десятки тысяч кГц, что позволяет обеспечить максимально возможную точность работы приборов.

Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик. Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами, характеристиками и многочисленными преимуществами:

Возможность эксплуатации с высокой мощностью и повышенным напряжением.
Работа при высокой температуре.
Минимальные потери тока в открытом виде.
Устойчивость к короткому замыканию.
Повышенная плотность.
Практически полное отсутствие потерь.
Простая параллельная схема.

Проверка исправности

Ревизия и тестирование IGBT полупроводников выполняется при наличии неисправностей электрических устройств. Такую проверку проводят с использованием мультитестера, прозванивая коллекторы и электроды с эмиттером в двух направлениях. Это позволит установить работоспособность транзистора и исключит отсутствие замыкания. При проверке необходимо отрицательно зарядить вход затвора, используя щупы мультиметров типа COM .

Для проверки правильности работы транзистора на входе и выходе затвора заряжают ёмкость положительным полюсом. Выполняется такая зарядка за счёт кратковременного касания щупом затвора, после чего проверяется разность потенциала коллектора и эмиттера. Данные потенциалов не должны иметь расхождение более 1,5 Вольта. Если тестируется мощный IGBT, а тестера не будет хватать для положительного заряда, на затвор подают напряжение питания до 15 Вольт.

Мощные модули

Силовые транзисторы изготавливаются не только отдельными полупроводниками, но и уже собранными готовыми к использованию модулями. Такие приспособления входят в состав мощных частотных преобразователей в управлении электромоторами. В каждом конкретном случае схема и принцип работы модуля будут различаться в зависимости от его типа и предназначения. Чаще всего в таких устройствах используется мост, выполненный на основе двух силовых транзисторов.

Стабильная работа IGBT обеспечивается при частоте 150 килогерц. При повышении рабочей частоты могут увеличиваться потери, что отрицательно сказывается на стабильности электроприборов. Силовые транзисторы все свои преимущества и возможности проявляют при использовании с напряжением более 400 Вольт. Поэтому такие полупроводники чаще всего применяют в промышленном оборудовании и электроприборах высокого напряжения.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой полупроводниковый прибор с тремя соединительными клеммами, очень полезный благодаря своему высокому КПД, мощности и быстрому включению и отключению.

IGBT-транзисторы используются в устройствах средней и высокой мощности, импульсных источниках питания, управлении тяговыми двигателями и устройствах индукционного нагрева.

Поскольку они предназначены для быстрого включения и выключения, IGBT используются в усилителях, которые имеют дело со сложными формами сигналов, широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и фильтрами нижних частот.

Эти силовые полупроводниковые устройства используются в низковольтных и высоковольтных преобразователях постоянного и переменного тока, станках с ЧПУ, промышленных роботах, оборудовании для производства полупроводников и медицинском оборудовании.

Это также могут быть сварочные аппараты, различные лабораторные инверторы, источники бесперебойного питания, стабилизаторы, электроприводы, конверторы, оборудование для ветряной и солнечной энергетики, любительская электротехника, вроде трансформаторов Тесла типа DRSSTC и т. д.

Импульсные источники питания с IGBT-транзисторами используются во многих инновационных устройствах, таких как электромобили, холодильники с регулируемой скоростью, кондиционеры, стереосистемы с цифровыми усилителями и т. д.

Для наиболее технологичного решения подобного рода задач и были придуманы силовые модули IGBT, в основе которых, как можно легко понять из названия, лежат IGBT-транзисторы.

С момента своего появления в 1988 году и по настоящее время IGBT-транзисторы развивались и завоевывали позиции по сравнению с другими технологиями, становясь наиболее широко используемым типом транзисторов в силовых модулях благодаря их превосходным характеристикам и возможностям управления.

В промышленных приложениях используются модули IGBT, которые включают в себя множество транзисторов, установленных параллельно, которые могут выдерживать токи в сотни ампер.

Осуществляя проектирование и монтаж силовых электронных блоков, в частности это касается преобразовательной техники, очень важно обеспечить полупроводниковым ключам не только качественную изоляцию и отсутствие паразитных наводок, но и надлежащий тепловой режим их работы. При этом всегда желательно сохранить компактность изделия, не нарушая надежности всей сборки.

Передовые технологии современного производства полупроводниковых кристаллов позволяют получать компоненты с небольшим падением напряжения, высокой допустимой температурой и малыми коммутационными потерями.

Такие модули способны работать при разных напряжениях и токах, в зависимости от конкретной модели того или иного IGBT-модуля.

Уже сейчас на рынке доступны силовые компоненты от известных мировых производителей на максимальное напряжение от 600 до 6500 вольт и на максимальный ток от 10 до 3600 ампер.

По типу сборки IGBT-модули подразделяются на: одиночные ключи, полумосты, чопперы, трехфазные мосты, а также многоуровневые сборки и узкоспециальные комбинации.

Выбор того или иного IGBT-модуля зависит от цели, для которой его планируется применять.

В корпусе IGBT-модуля находятся кристаллы, образующие транзисторы и диоды. Транзисторов и диодов может быть несколько. Например, трехфазный мост с тормозным транзистором может содержать 7 IGBT-транзисторов и в общей сложности 10 диодов.

Между непосредственно кристаллом и металлической подложкой каждого элемента расположена изолирующая теплопроводящая подложка.

Металлическая подложка элемента, в свою очередь, припаяна к внешней медной пластине, которая может либо сама представлять собой готовый радиатор, либо предполагать соединение с внешним радиатором.

Как правило, конструкция модуля предполагает монтаж одной его стороной на внешний радиатор, тогда как на другую его сторону можно установить плату драйвера.

Различные по параметрам продукты от Infineon, Mitsubishi, IXYS и Semikron широко представлены сегодня на отечественном рынке. В модулях применяются кристаллы, изготовленные с использованием технологий последних поколений.

Существует большой выбор компактных корпусов с пружинным и винтовым креплением внешних проводников. Допускается параллельный монтаж и сопряжение нескольких модулей, поскольку их корпуса допускают компактную стыковку друг к другу.

IGBT-модули постоянно совершенствуются, ведь их производители осваивают все новые и новые технологии создания кристаллов, работают над оптимизацией и совершенствованием корпусов, наружных терминалов, подбирают лучшие материалы, работают над улучшением критически важных электрических характеристик по следующим направлениям:

устойчивость к токам короткого замыкания,
уменьшение емкости затвора,
снижение напряжения насыщения,
повышение рабочей частоты,
уменьшение паразитных индуктивностей и емкостей,
улучшение теплопроводности.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Читайте также: