IGBT са основните компоненти на съвременната силова електроника

IGBT транзистор (съкратено от английски биполярен транзистор с изолиран затвор) или изолиран затворен биполярен транзистор (съкратено IGBT) е три-крайно полупроводниково устройство, което комбинира мощен биполярен транзистор и полеви транзистор, управляващи го вътре в един корпус.

IGBT транзисторите днес са основните компоненти на силовата електроника (мощни инвертори, комутационни захранващи устройства, честотни преобразуватели и др.), Където те служат като мощни електронни превключватели, които превключват токове при честоти, измерени в десетки и стотици килогерц. Транзисторите от този тип се произвеждат както под формата на отделни компоненти, така и под формата на специализирани силови модули (възли) за управление на трифазни вериги.

Фактът, че IGBT транзисторът включва транзистори от два типа наведнъж (каскадни), ви позволява да комбинирате предимствата на две технологии в едно полупроводниково устройство.

Биполярният транзистор като мощен транзистор ви позволява да получите по-голямо работно напрежение, докато съпротивлението на канала в отворено състояние е пропорционално на тока в първа степен, а не на квадрата на тока, както конвенционални полеви транзистори, И фактът, че това е полеви транзистор, който се използва като контролен транзистор, свежда до минимум консумацията на енергия за ключов контрол.

Имената на електродите характеризират структурата на IGBT транзистора: управляващият електрод се нарича порта (като полев транзистор), а електродите на силовия канал се наричат ​​колектор и емитер (като биполярен транзистор).

Малко история

В исторически план биполярните транзистори са били използвани еднакво. с тиристори като силови електронни ключове до 90-те години. Но недостатъците на биполярните транзистори винаги са били очевидни: голям базов ток, бавно изключване и прегряване на кристала, силна температурна зависимост на основните параметри и ограничено напрежение на насищане на колектор-емитер.

Появилите се по-късно транзистори с полеви ефекти (MOS структури) веднага промениха ситуацията към по-добро: контролът на напрежението вече не изисква толкова големи токове, параметрите на превключвателя са слабо зависими от температурата, работното напрежение на транзистора не е ограничено отдолу, ниското съпротивление на силовия канал в отворено състояние разширява обхвата на работните токове и др. честотата на превключване може лесно да достигне стотици килогерц, в допълнение, способността на полевите транзистори да издържат на силни динамични натоварвания при високи работни напрежения е забележима.

Тъй като управлението на полеви транзистор се осъществява много по-лесно и се оказва по отношение на мощността много по-лесно от биполярния, а освен това вътре има ограничителен диод, - полеви транзистори веднага спечелиха популярност във високочестотните превключватели на напрежение, както и в акустични усилватели от клас D.

Владимир Дяконов

Първият транзистор на силово поле е разработен от Виктор Бачурин още в Съветския съюз, през 1973 г., след което той е изследван под наблюдението на учения Владимир Дяконов. Изследванията на групата на Дяконов относно ключовите свойства на силови полеви транзистори доведоха до разработването през 1977 г. на композитен транзисторен превключвател, вътре в който биполярен транзистор се управлява от полеви превключвател с изолиран затвор.

Учените показаха ефективността на този подход, когато текущите свойства на силовата част се определят от биполярен транзистор, а параметрите на управление се определят от полевия. Освен това се елиминира насищането на биполярния транзистор, което означава, че забавянето при изключване е намалено. Това е важно предимство на всеки ключ за захранване.

На полупроводниково устройство от нов тип съветските учени са получили сертификат за авторско право № 757051 „Pobistor“. Това беше първата структура, съдържаща мощен биполярен транзистор в един корпус, отгоре беше разположен контролен полеви транзистор с изолирана врата.

Що се отнася до индустриалното внедряване, още през 1983 г. Intarnational Rectifier патентова първия IGBT транзистор. И две години по-късно е разработен IGBT транзистор с плоска структура и по-високо работно напрежение. Това беше направено едновременно в лабораториите на две компании - General Electric и RCA.

Първите версии на биполярни транзистори с изолирана врата имат един основен недостатък - бавно превключване. Името IGBT е прието през 90-те години, когато са създадени второто и третото поколение IGBT транзистори. Тогава тези недостатъци ги нямаше.

Отличителни предимства на IGBT

В сравнение с конвенционалните полеви транзистори IGBT имат по-висок входен импеданс и по-ниска мощност, която се изразходва за управление на портата.

За разлика от биполярните транзистори, при включване има по-ниско остатъчно напрежение. Загубите в отворено състояние, дори при високи работни напрежения и токове, са доста малки. В този случай проводимостта е като тази на биполярен транзистор, а ключът се управлява от напрежение.

Обхватът на колектор-излъчвател на работно напрежение за повечето широко достъпни модели варира от десетки волта до 1200 или повече волта, докато токовете могат да достигнат до 1000 или повече ампера. Съществуват сглобки за стотици и хиляди волта напрежение и токове на стотици ампери.

Смята се, че полевите транзистори са по-подходящи за работни напрежения до 500 волта, а IGBT транзисторите са подходящи за напрежения, по-големи от 500 волта, и токове по-големи от 10 ампера, тъй като по-ниското съпротивление на канала в отворено състояние е изключително важно при по-ниски напрежения.

IGBT транзистори

Основното приложение на IGBT транзисторите се намира в инвертори, превключващи преобразуватели на напрежение и честотни преобразуватели (например полумостовия модул SKM 300GB063D, 400A, 600V) - където има високо напрежение и значителна мощност.

Заваръчни инвертори - отделна важна област на приложение на IGBT транзистори: висок ток, мощност над 5 kW и честоти до 50 kHz (IRG4PC50UD - класика от жанра, 27A, 600V, до 40 kHz).

IGBT не може да бъде изключен в градския електрически транспорт: с тиристори, тяговите двигатели показват по-ниска ефективност, отколкото при IGBT, освен това IGBT постига по-плавно возене и добра комбинация с регенеративни спирачни системи дори при високи скорости.

Няма нищо по-добро от IGBT, когато трябва да превключвате при високо напрежение (повече от 1000 V) или да управлявате задвижване с променлива честота (честоти до 20 kHz).

В някои схеми IGBT и MOSFET транзисторите са напълно взаимозаменяеми, тъй като тяхното разтягане е подобно, а принципите на управление са идентични. Портите в този и в другия случай представляват капацитет до нанофарад единици, с презареждане на заряд, с което водачът, инсталиран на всяка такава схема, може лесно да се справи и осигурява адекватен контрол.

Вижте също:Мощност MOSFET и IGBT транзистори, разлики и характеристики на тяхното приложение