IGBT jsou hlavními součástmi moderní výkonové elektroniky

Tranzistor IGBT (zkratka pro anglický bipolární tranzistor s izolovaným hradlem) nebo izolovaný hradlový bipolární tranzistor (zkrácený IGBT) je tříkoncové polovodičové zařízení, které kombinuje výkonový bipolární tranzistor a tranzistor s polním efektem, který jej ovládá uvnitř jednoho pouzdra.

Tranzistory IGBT jsou dnes hlavními součástmi výkonové elektroniky (výkonné střídače, spínané napájecí zdroje, frekvenční měniče atd.), Kde slouží jako výkonné elektronické spínače, které přepínají proudy při frekvencích měřených v desítkách a stovkách kilohertů. Tranzistory tohoto typu se vyrábějí jak ve formě samostatných komponent, tak ve formě specializovaných výkonových modulů (sestav) pro řízení třífázových obvodů.

Skutečnost, že tranzistor IGBT zahrnuje tranzistory dvou typů najednou (kaskádově), umožňuje kombinovat výhody dvou technologií uvnitř jednoho polovodičového zařízení.

Bipolární tranzistor jako výkonový tranzistor vám umožní získat větší provozní napětí, zatímco odpor kanálu v otevřeném stavu je úměrný proudu v prvním stupni, a nikoli čtverci proudu jako konvenční tranzistory s polním efektem. Skutečnost, že se jedná o tranzistor s efektem pole, který se používá jako řídicí tranzistor, minimalizuje spotřebu energie pro klíčové řízení.

Jména elektrod charakterizují strukturu tranzistoru IGBT: řídicí elektroda se nazývá brána (jako tranzistor s efektem pole) a elektrody výkonového kanálu se nazývají kolektor a emitor (jako bipolární tranzistor).

Trocha historie

Historicky byly bipolární tranzistory použity na stejném základě. s tyristory jako výkonné elektronické klíče do 90. let. Nevýhody bipolárních tranzistorů však byly vždy zřejmé: velký základní proud, pomalé vypnutí a přehřátí krystalu, silná teplotní závislost hlavních parametrů a omezené saturační napětí kolektor-emitor.

Tranzistory s polním efektem (struktury MOS), které se později objevily, okamžitě změnily situaci k lepšímu: řízení napětí již nevyžaduje takové velké proudy, parametry spínače jsou slabě závislé na teplotě, provozní napětí tranzistoru není omezeno zespodu, nízký odpor výkonového kanálu v otevřeném stavu rozšiřuje rozsah provozních proudů, spínací frekvence může snadno dosáhnout stovek kilohertů, kromě toho je pozoruhodná schopnost tranzistorů s polním efektem odolávat silným dynamickým zatížením při vysokých provozních napětích.

Vzhledem k tomu, že řízení tranzistoru s efektem pole je implementováno mnohem snadněji a ukazuje se z hlediska výkonu mnohem snadněji než u bipolárního, a kromě toho uvnitř je omezující dioda, - tranzistory s efektem pole okamžitě získaly na popularitě vysokofrekvenčních spínacích napěťových převodníků, jakož i akustických zesilovačů třídy D.

Vladimir Dyakonov

První tranzistorový efektový tranzistor byl vyvinut Viktorem Bachurinem zpět v Sovětském svazu v roce 1973, poté byl vyšetřován pod dohledem vědce Vladimíra Dyakonova. Vyšetřování skupiny Dyakonov ohledně klíčových vlastností tranzistoru s výkonovým polem vedlo v roce 1977 k vývoji kompozitního tranzistorového spínače, uvnitř kterého byl bipolární tranzistor řízen spínačem s polem s izolovanou bránou.

Vědci ukázali účinnost tohoto přístupu, když aktuální vlastnosti výkonové části jsou určeny bipolárním tranzistorem a řídicí parametry jsou určeny polem jedna. Navíc je eliminována saturace bipolárního tranzistoru, což znamená, že zpoždění při vypnutí je sníženo. To je důležitá výhoda jakéhokoli vypínače.

Na polovodičovém zařízení nového typu získali sovětští vědci autorský certifikát č. 757051 „Pobistor“. Jednalo se o první strukturu obsahující výkonný bipolární tranzistor v jednom pouzdře, nad nímž byl tranzistor s řídicím polem s izolovanou bránou.

Co se týče průmyslové implementace, již v roce 1983 patentoval Intarnational Rectifier první tranzistor IGBT. A o dva roky později byl vyvinut tranzistor IGBT s plochou strukturou a vyšším provozním napětím. Bylo to provedeno současně v laboratořích dvou společností - General Electric a RCA.

První verze bipolárních tranzistorů s izolovanými hradly měla jednu hlavní nevýhodu - pomalé přepínání. Název IGBT byl přijat v 90. letech, kdy byla vytvořena druhá a třetí generace tranzistorů IGBT. Potom byly tyto nedostatky pryč.

Výrazné výhody IGBT

Ve srovnání s konvenčními tranzistory s polním efektem mají IGBT vyšší vstupní impedanci a nižší výkon, který se vynakládá na řízení brány.

Na rozdíl od bipolárních tranzistorů je při zapnutém stavu zbytkové napětí nižší. Ztráty v otevřeném stavu, i při vysokých provozních napětích a proudech, jsou poměrně malé. V tomto případě je vodivost podobná vodivosti bipolárního tranzistoru a klíč je řízen napětím.

Rozsah provozního napětí-kolektor emitoru pro většinu běžně dostupných modelů se pohybuje od desítek voltů do 1200 nebo více voltů, zatímco proudy mohou dosáhnout až 1000 nebo více ampér. Existují sestavy pro stovky a tisíce voltů v napětích a proudy stovek ampér.

Předpokládá se, že tranzistory s polním efektem jsou vhodnější pro provozní napětí až 500 voltů a tranzistory IGBT jsou vhodné pro napětí vyšší než 500 voltů a proudy větší než 10 ampér, protože nižší odpor kanálu v otevřeném stavu je při nižším napětí nesmírně důležitý.

Tranzistory IGBT

Hlavní použití tranzistorů IGBT se nachází v měničích, spínacích napěťových měničích a frekvenčních měničích (například polo můstkový modul SKM 300GB063D, 400A, 600V) - kde je vysoké napětí a významný výkon.

Svařovací střídače - samostatná důležitá oblast použití tranzistorů IGBT: vysoký proud, výkon více než 5 kW a frekvence do 50 kHz (IRG4PC50UD - klasika žánru, 27A, 600V, až 40 kHz).

V městské elektrické dopravě nelze vyloučit IGBT: u tyristorů vykazují trakční motory nižší účinnost než u IGBT, IGBT navíc dosahuje plynulejší jízdy a dobré kombinace s regenerativními brzdovými systémy i při vysokých rychlostech.

Není nic lepšího než IGBT, pokud potřebujete přepínat při vysokém napětí (více než 1000 V) nebo ovládat měnič kmitočtu (frekvence až 20 kHz).

Na některých obvodech jsou tranzistory IGBT a MOSFET zcela zaměnitelné, protože jejich zapojení je podobné a řídicí zásady jsou identické. Brány v tomto a ve druhém případě představují kapacitu až nanofaradových jednotek, s dobíjením udržujícím náboj, na kterém může řidič nainstalovaný v jakémkoli takovém obvodu snadno manipulovat a poskytuje odpovídající kontrolu.

Viz také:Výkonové tranzistory MOSFET a IGBT, rozdíly a vlastnosti jejich aplikace