IGBT ir mūsdienu barošanas elektronikas galvenās sastāvdaļas

IGBT tranzistors (saīsināts angļu valodas izolācijas vārtu bipolārais tranzistors) vai izolēts vārtu bipolārais tranzistors (saīsināts IGBT) ir trīs spaiļu pusvadītāju ierīce, kas apvieno jaudas bipolāru tranzistoru un lauka efekta tranzistoru, kas to kontrolē viena korpusa iekšpusē.

IGBT tranzistori mūsdienās ir galvenie enerģijas elektronikas komponenti (jaudīgi invertori, komutācijas barošanas bloki, frekvences pārveidotāji utt.), Kur tie kalpo kā jaudīgi elektroniski slēdži, kas pārslēdz strāvas ar frekvencēm, kas mēra desmitos un simtos kilohercu. Šāda veida tranzistorus ražo gan atsevišķu komponentu veidā, gan specializētu jaudas moduļu (mezglu) veidā trīsfāzu ķēžu vadīšanai.

Fakts, ka IGBT tranzistors ietver divu veidu tranzistorus uzreiz (kaskādēti), ļauj apvienot divu tehnoloģiju priekšrocības vienas pusvadītāja ierīces iekšpusē.

Bipolārs tranzistors kā jaudas tranzistors ļauj iegūt lielāku darba spriegumu, savukārt kanāla pretestība atvērtā stāvoklī ir proporcionāla strāvai pirmajā pakāpē, nevis strāvas kvadrātam kā parastie lauka efektu tranzistori. Un tas, ka tieši lauka efekts tranzistors tiek izmantots kā vadības tranzistors, samazina enerģijas patēriņu atslēgas vadībai līdz minimumam.

Elektrodu nosaukumi raksturo IGBT tranzistora struktūru: vadības elektrodu sauc par vārtiem (kā lauka efekta tranzistoru), un jaudas kanāla elektrodus sauc par kolektoru un emitētāju (piemēram, par bipolāru tranzistoru).

Nedaudz vēstures

Vēsturiski bipolāros tranzistorus izmantoja uz vienlīdzīgiem pamatiem. ar tiristoriem kā barošanas elektroniskās atslēgas līdz 90. gadiem. Bet bipolāro tranzistoru trūkumi vienmēr bija acīmredzami: liela bāzes strāva, lēna kristāla izslēgšana un pārkaršana, spēcīga galveno parametru atkarība no temperatūras un ierobežots kolektora-emitētāja piesātinājuma spriegums.

Lauka efekta tranzistori (MOS struktūras), kas parādījās vēlāk, nekavējoties mainīja situāciju uz labo pusi: sprieguma kontrolei vairs nav vajadzīgas tik lielas strāvas, slēdža parametri ir vāji atkarīgi no temperatūras, tranzistora darba spriegums nav ierobežots no apakšas, strāvas kanāla zemā pretestība atvērtā stāvoklī paplašina darbības straumju diapazonu, pārslēgšanās frekvence var viegli sasniegt simtus kilohercu, turklāt ir ievērojama lauka efekta tranzistoru spēja izturēt spēcīgas dinamiskās slodzes pie augsta darba sprieguma.

Tā kā lauka efekta tranzistors ir daudz vienkāršāks un jaudīgāks nekā bipolārais, tā iekšpusē ir ierobežojošs. diode, - lauka efekta tranzistori nekavējoties ieguva popularitāti augstfrekvences komutācijas sprieguma pārveidotājos, kā arī D klases akustiskajos pastiprinātājos.

Vladimirs Dejakonovs

Pirmo jaudas lauka efektu tranzistoru Viktors Bačurins izstrādāja jau Padomju Savienībā 1973. gadā, pēc tam to izpētīja zinātnieks Vladimirs Dejakovs. Dyakonov grupas pētījumi par jaudas lauka efekta tranzistora galvenajām īpašībām noveda pie tā, ka 1977. gadā tika izveidots kompozīta tranzistora slēdzis, kura iekšpusē bipolāru tranzistoru kontrolēja lauka efekta slēdzis ar izolētiem vārtiem.

Zinātnieki ir parādījuši šīs pieejas efektivitāti, kad barošanas bloka pašreizējās īpašības nosaka ar bipolāru tranzistoru, bet vadības parametrus nosaka viens. Turklāt tiek izslēgts bipolārā tranzistora piesātinājums, kas nozīmē, ka izslēgšanās kavēšanās tiek samazināta. Šī ir svarīga jebkura barošanas atslēga priekšrocība.

Ar jauna veida pusvadītāju ierīci padomju zinātnieki ieguva autortiesību sertifikātu Nr. 757051 “Pobistor”. Šī bija pirmā struktūra, kurā vienā korpusā bija jaudīgs bipolārais tranzistors, virs kura atradās vadības lauka efekta tranzistors ar izolētiem vārtiem.

Runājot par rūpniecisko ieviešanu, jau 1983. gadā Intarnational Rectifier patentēja pirmo IGBT tranzistoru. Un divus gadus vēlāk tika izstrādāts IGBT tranzistors ar plakanu struktūru un augstāku darba spriegumu. Tas tika veikts vienlaikus divu uzņēmumu - General Electric un RCA - laboratorijās.

Pirmajām izolēto vārtu bipolāro tranzistoru versijām bija viens būtisks trūkums - lēna pārslēgšanās. Nosaukums IGBT tika pieņemts 90. gados, kad tika izveidoti otrās un trešās paaudzes IGBT tranzistori. Tad šie trūkumi bija novērsti.

IGBT atšķirīgie ieguvumi

Salīdzinot ar parastajiem lauka efektu tranzistoriem, IGBT ir lielāka ieejas pretestība un mazāka jauda, ​​kas tiek tērēta vārtu vadībai.

Atšķirībā no bipolāriem tranzistoriem, ieslēdzoties, ir zemāks atlikušais spriegums. Zaudējumi atklātā stāvoklī pat ar lielu darba spriegumu un strāvu ir diezgan mazi. Šajā gadījumā vadītspēja ir tāda pati kā bipolārā tranzistoram, un atslēgu kontrolē spriegums.

Darbības sprieguma kolektora-emitētāja diapazons visplašāk pieejamajiem modeļiem svārstās no desmitiem voltiem līdz 1200 un vairāk voltiem, bet strāvas var sasniegt līdz 1000 vai vairāk ampēros. Ir simtiem un tūkstošiem voltu spriegumi un simtiem ampēru strāvas stiprumi.

Tiek uzskatīts, ka lauka efekta tranzistori ir labāk piemēroti darba spriegumam līdz 500 voltiem, un IGBT tranzistori ir piemēroti spriegumam, kas pārsniedz 500 voltus, un strāvai, kas pārsniedz 10 ampērus, jo zemāka sprieguma gadījumā ārkārtīgi svarīga ir zemāka kanāla pretestība atvērtā stāvoklī.

IGBT tranzistori

Galvenais IGBT tranzistoru pielietojums ir atrodams invertoros, komutācijas sprieguma pārveidotājos un frekvences pārveidotājos (piemēram, pus tilta modulī SKM 300GB063D, 400A, 600V) - tur, kur ir augsts spriegums un ievērojama jauda.

Metināšanas invertori - atsevišķa svarīga IGBT tranzistoru pielietojuma joma: liela strāva, jauda lielāka par 5 kW un frekvences līdz 50 kHz (IRG4PC50UD - žanra klasika, 27A, 600V, līdz 40 kHz).

IGBT nevar iztikt bez pilsētas elektriskā transporta: ar tiristoriem vilces motoriem ir zemāka efektivitāte nekā ar IGBT, turklāt IGBT nodrošina vienmērīgāku braukšanu un labu kombināciju ar reģeneratīvām bremzēšanas sistēmām pat lielā ātrumā.

Nav nekas labāks par IGBT, kad nepieciešams pārslēgties ar augstu spriegumu (vairāk nekā 1000 V) vai vadīt mainīgas frekvences piedziņu (frekvences līdz 20 kHz).

Dažās shēmās IGBT un MOSFET tranzistori ir pilnībā savstarpēji aizstājami, jo to savienojums ir līdzīgs, un vadības principi ir identiski. Vārti šajā un otrā gadījumā atspoguļo jaudu līdz nanofarad vienībām ar lādiņu noturīgu uzlādi, ar kuru vadītājam, kas uzstādīts uz jebkuras šādas shēmas, ir viegli rīkoties un tas nodrošina atbilstošu vadību.

Skatīt arī:Jaudīgi MOSFET un IGBT tranzistori, atšķirības un to pielietojuma iespējas