Отличие igbt от mosfet: MOSFET IGBT , » — , ,

Условное графическое обозначение MOSFET транзистора на рисунке выше (b) показывает «плавающий» затвор, указывая на отсутствие прямого подключения к кремниевой подложке. Пунктирная линия от истока к стоку показывает, что это устройство выключено, не проводит ток, с нулевым смещением на затворе. Нормально «выключенный» MOSFET транзистор является устройством, работающим в режиме обогащения. «Указывающая» (

V-MOS устройство (на рисунке выше) представляет собой усовершенствованный мощный MOSFET транзистор с профилем легирования, способствующим получению более низкого сопротивления между истоком и стоком во включенном состоянии. VMOS транзистор получил свое название из-за V-образной области затвора, которая увеличивает площадь поперечного сечения канала исток-сток.

Подведем итоги

• MOSFET транзисторы – это однополярные устройства, проводимость которых обусловлена одним типом носителей заряда, как и простые полевые транзисторы, но они отличаются этим от биполярных транзисторов.
• MOSFET – это устройство, управляемое напряжением, как и простой полевой транзистор. Входное напряжение на затворе управляет током между истоком и стоком.
• Затвор MOSFET транзистора не проводит непрерывный ток, за исключением тока утечки. Тем не менее, для начальной зарядки емкости затвора требуется значительный импульс тока.

Оригинал статьи:

Теги

Сохранить или поделиться

Отличие полевого транзистора от биполярного. Сфера их применения

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим отличие полевого транзистора от биполярного, узнаем в каких сферах применяются и те, и другие транзисторы.

И так, начнём…

Среди полупроводниковых приборов существуют две большие группы, в состав которых входят полевые и биполярные транзисторы. Они широко используются в электронике и радиотехнике в качестве генераторов, усилителей и преобразователей электрических сигналов. Чтобы понять, в чем основное различие этих устройств, необходимо рассмотреть их более подробно.

   Отличие полевого транзистора от биполярного

Биполярные транзисторы

Проводящая область конструкции состоит из трёх «спаянных» полупроводниковых частей, с чередованием по типу проводимости. Полупроводник с донорной (электронной) проводимостью обозначается как n-тип, с акцепторной (дырочной) – p-тип. Таким образом, мы можем наблюдать только два варианта чередования – p-n-p, либо n-p-n. По этому признаку различают биполярные транзисторы с n-p-n и p-n-p структурой.

Общая часть транзисторного кристалла, контактирующая с двумя другими, называется «база». Две другие – «коллектор» и «эмиттер». Степень насыщенности базы носителями заряда (электронами или электронными вакансиями «дырками») определяет степень проводимости всего кристалла транзистора. Таким образом, осуществляется управление проводимостью переходов транзистора, что позволяет использовать его в качестве элемента усиления мощности сигнала, или ключа.

Полевые транзисторы

Проводящая часть конструкции представляет собой полупроводниковый канал p- или n-типа в металле. Ток нагрузки протекает по каналу через электроды, называемые «стоком» и «истоком». Величина сечения проводящего канала и его сопротивление зависит от обратного напряжения на p-n переходе границы металла и полупроводника канала. Управляющий электрод, соединённый с металлической областью называется «затвор».

Канал полевого транзистора может иметь электрическую связь с металлом затвора — неизолированный затвор, а может быть и отделён от него тонким слоем диэлектрика — изолированный затвор.

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные?

И так, мы узнали, что главное отличие этих двух видов транзисторов в управление. Давайте рассмотрим прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

• высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление
• высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей)
• почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных
• квадратичность вольт — амперной характеристики (аналогична триоду)
• высокая температурная стабильность
• малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»
• малое потребление мощности

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

   Отличие полевого транзистора от биполярного

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Ток или поле, управление транзисторами

Большинству людей, так или иначе имеющими дело с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.

Ток и поле, различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.

Разная реакция на нагрев

У биполярных транзисторов температурный коэффициент сопротивления коллектор-эмиттер отрицательный (т. е. с ростом температуры сопротивление уменьшается и ток коллектор — эмиттер растет). У полевых транзисторов все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный (с ростом температуры сопротивление растет, и ток сток-исток уменьшается).

Важное следствие из этого факта — если биполярные транзисторы нельзя просто так включать параллельно (с целью умощнения), без токовыравнивающих резисторов в цепи эмиттера, то с полевыми все намного проще — благодаря автобалансировке тока сток-исток при изменении нагрузки/нагрева — их можно свободно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Это связано с температурными свойствами p-n перехода и простого полупроводника p- или n-типа. По этой причине у полевых транзисторов гораздо реже случается необратимый выходной тепловой пробой, чем у биполярных.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах.

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Полевые побеждают, почему?

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.

Видео, отличие полевого транзистора от биполярного

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Разница между JFET и MOSFET

Оба являются полевыми транзисторами (FET) с регулируемым напряжением, которые в основном используются для усиления слабых сигналов, в основном беспроводных. Это устройства UNIPOLAR, которые могут усиливать аналоговые и цифровые сигналы. Полевой транзистор (FET) — это тип транзистора, который изменяет электрическое поведение устройства с помощью эффекта электрического поля. Они используются в электронных схемах от ВЧ-технологий до коммутации и управления мощностью до усиления. Они используют электрическое поле для управления электропроводностью канала.Полевые транзисторы подразделяются на JFET (Junction Field Effect Transistor) и MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Оба в основном используются в интегральных схемах и довольно похожи по принципу работы, но имеют немного другой состав. Давайте сравним их подробно.

Что такое JFET?

JFET — это простейший тип полевого транзистора, в котором ток может проходить от истока к стоку или от стока к истоку.В отличие от транзисторов с биполярным переходом (BJT), JFET использует напряжение, приложенное к выводу затвора, для управления током, протекающим через канал между выводами стока и истока, что приводит к тому, что выходной ток пропорционален входному напряжению. Вывод затвора имеет обратное смещение. Это трехконтактное униполярное полупроводниковое устройство, используемое в электронных переключателях, резисторах и усилителях. Он предполагает высокую степень изоляции между входом и выходом, что делает его более стабильным, чем транзистор с биполярным переходом.В отличие от BJT, допустимая величина тока определяется сигналом напряжения в JFET.

Обычно делится на две основные конфигурации:

• N-Channel JFET — Ток, протекающий по каналу между стоком и истоком, отрицателен в виде электронов. Он имеет более низкое сопротивление, чем типы с P-каналом.
• P-Channel JFET — Ток, протекающий по каналу, положительный в виде отверстий. Он имеет более высокое сопротивление, чем его аналоги с N-каналом.

Что такое полевой МОП-транзистор?

MOSFET — это четырехконтактный полупроводниковый полевой транзистор, изготовленный путем контролируемого окисления кремния, в котором приложенное напряжение определяет электрическую проводимость устройства. MOSFET расшифровывается как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Затвор, расположенный между каналами истока и стока, электрически изолирован от канала тонким слоем оксида металла. Идея состоит в том, чтобы контролировать ток и напряжение между каналами истока и стока.МОП-транзисторы играют жизненно важную роль в интегральных схемах из-за их высокого входного сопротивления. В основном они используются в усилителях мощности и переключателях, а также играют важную роль в конструкции встроенных систем в качестве функциональных элементов.

Обычно их делят на две конфигурации:

• MOSFET в режиме истощения — Обычно устройства включены, когда напряжение затвор-исток равно нулю. Напряжение приложения ниже, чем напряжение сток-исток
• MOSFET в режиме расширения — Обычно устройства выключены, когда напряжение затвор-исток равно нулю.

Разница между JFET и MOSFET

Основы полевых транзисторов и полевых МОП-транзисторов

И JFET, и MOSFET представляют собой транзисторы с регулируемым напряжением, используемые для усиления слабых сигналов, как аналоговых, так и цифровых. Оба являются униполярными устройствами, но разного состава. В то время как JFET расшифровывается как Junction Field-Transistor, MOSFET — это сокращение от Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Первый представляет собой трехконтактный полупроводниковый прибор, а второй — четырехконтактный полупроводниковый прибор.

Режим работы полевого транзистора и полевого МОП-транзистора

Оба имеют меньшие значения крутизны по сравнению с транзисторами с биполярным переходом (BJT). Полевые транзисторы JFET могут работать только в режиме истощения, тогда как полевые МОП-транзисторы могут работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения.

Входное сопротивление полевых транзисторов и полевых МОП-транзисторов

имеют высокое входное сопротивление порядка 1010 Ом, что делает их чувствительными к сигналам входного напряжения. Полевые МОП-транзисторы предлагают даже более высокий входной импеданс, чем полевые транзисторы JFET, что делает их намного более резистивными на выводе затвора благодаря металлооксидному изолятору. -12 А.

Устойчивость к повреждениям полевых транзисторов и полевых МОП-транзисторов

более восприимчивы к повреждению от электростатического разряда из-за дополнительного изолятора из оксида металла, который снижает емкость затвора, что делает транзистор уязвимым для повреждений под высоким напряжением. С другой стороны, полевые транзисторы JFET менее подвержены повреждениям вследствие электростатического разряда, поскольку они имеют более высокую входную емкость, чем полевые МОП-транзисторы.

Стоимость полевых транзисторов и MOSFET

следуют простому и менее сложному производственному процессу, что делает их относительно дешевле, чем полевые МОП-транзисторы, которые дороги из-за более сложного производственного процесса.Дополнительный слой оксида металла немного увеличивает общую стоимость.

Применение полевых транзисторов и полевых МОП-транзисторов

идеально подходят для приложений с низким уровнем шума, таких как электронные переключатели, буферные усилители и т. Д. МОП-транзисторы, с другой стороны, в основном используются для приложений с высоким уровнем шума, таких как переключение и усиление аналоговых или цифровых сигналов, а также они используются в управлении двигателями. приложения и встроенные системы.

JFET и MOSFET: сравнительная таблица

Резюме FET vs.МОП-транзистор

JFET и MOSFET — два самых популярных полевых транзистора, обычно используемых в электронных схемах. И JFET, и MOSFET представляют собой полупроводниковые устройства с регулируемым напряжением, используемые для усиления слабых сигналов с помощью эффекта электрического поля. Само название намекает на атрибуты устройства. Хотя у них есть общие атрибуты, соответствующие усилению и переключению, у них есть немалая доля различий. JFET работает только в режиме истощения, тогда как MOSFET работает как в режиме истощения, так и в режиме улучшения.МОП-транзисторы используются в схемах СБИС из-за их дорогостоящего производственного процесса по сравнению с менее дорогими полевыми транзисторами, которые в основном используются в приложениях с малыми сигналами.

Вне своей профессиональной жизни Сагар любит общаться с людьми разных культур и происхождения. Можно сказать, что он любопытен по натуре. Он считает, что каждый — это опыт обучения, и это приносит определенное волнение, своего рода любопытство, чтобы продолжать работать. Поначалу это может показаться глупым, но через некоторое время это расслабляет вас и облегчает начало разговора с совершенно незнакомыми людьми — вот что он сказал ».

: Если вам понравилась эта статья или наш сайт. Пожалуйста, расскажите об этом. Поделитесь им с друзьями / семьей.

Цитируйте
Сагар Хиллар. «Разница между JFET и MOSFET». DifferenceBetween.net. 21 июня 2018.

BJT vs MOSFET vs IGBT Сравнение разницы транзисторов

Если вы всегда задавались вопросом, какой силовой транзистор вы должны использовать для своих схем, в этой статье мы увидим все основные различия между IGBT, BJT и, конечно же, MOSFFET. Как разработчику вы должны будете решить, использовать ли BJT или MOSFET в силовой каскаде вашего приложения? Или разработчику следует использовать IGBT? Будут ли они работать в дизайне? Было бы лучше? Итак, есть несколько вариантов, но какой из них лучше?

Ответ не однозначный, я бы сказал: « Это зависит от обстоятельств. ”И да, это не очень информативный или удовлетворительный ответ, но позвольте мне объяснить. Тем не менее, ответ верен, поскольку выбор действительно зависит от очень широкого спектра факторов и аспектов проекта, который вы хотите разработать. Например, область вашего приложения , которая может быть для управления двигателем, источником питания или, возможно, аудиоусилителями , и это повлияет на ваш выбор. Также будет важна методика модуляции мощности нагрузки , которая может быть линейной, с переключением или статической.Наконец, рабочая частота также важна. Сначала вам нужно будет четко определить критерии проектирования и подход, а затем вы сможете начать оценивать преимущества и недостатки различных доступных силовых полупроводников.

ЧАСТЬ 1 — Ворота или основание / Канал или переход

Каналы или переходы? Как много? Какой тип? Эти и другие аспекты внутренней геометрии и конструкции устройства могут быть одним из способов взглянуть на силовые полупроводники, поскольку они действительно различаются для разных типов твердотельных силовых устройств. Но такой подход может увести нас от реальной точки, а именно от того, как управлять устройством для изменения тока нагрузки.
Имейте в виду, что контролируемое изменение тока через нагрузку — это основная функция (если угодно, смысл существования) любого силового полупроводникового устройства. У вас есть нагрузка, через которую вы хотите пропустить ток, и состояние этого потока тока (полностью включено, полностью выключено или на каком-то заранее определенном промежуточном уровне) является функцией сигнала, поступающего на управляющий терминал силового полупроводникового устройства. .

Есть несколько факторов, которые будут определять ваш выбор технологии силовых транзисторов. Среди них — величина тока, необходимая вашей конкретной нагрузке, желаемое напряжение, которое должно быть приложено к нагрузке для достижения этого тока, а также максимальная скорость изменения тока (dI / dt) и напряжения (dV / dt).

Короче говоря, есть три ключевых параметра производительности, которые помогают нам понять, какая технология силовых транзисторов лучше всего подходит для вашей конструкции силового каскада: максимальное рабочее напряжение, максимальный рабочий ток и максимальная частота переключения.

ЧАСТЬ 2 — Выбор МОЩНОСТИ

Первым делом вы должны решить, какое количество энергии потребуется вашей системе, и вы должны решить:

— Максимальное напряжение и ток
— Максимальная частота работы
— Реактивные параметры вашей нагрузки (индуктивность нагрузки и емкость нагрузки)
— Характеристики постоянного тока (и даже характеристики потенциальных неисправностей) вашей нагрузки

Четко определенные характеристики нагрузки означают, что вы готовы изучить меню вариантов управления нагрузкой.В список входят не только популярные мощные транзисторы, такие как MOSFET, BJT и IGBT, но и более экзотические тиристоры, такие как Triacs и SCR (для ограниченного вкуса диеты только переменного тока или пульсирующего постоянного тока, которые мы рассмотрим в будущем. статья). И, конечно же, есть необходимые гарниры, такие как сверхбыстрые выпрямители и выпрямители Шоттки (без них не обходится ни один проект питания, но это также будущая статья). Просмотрите это меню с твердотельными трехконтактными мощными устройствами, и вы увидите, что каждое из них управляет нагрузкой по-своему.

• Ресурс исследования
• Исследовать
  • Искусство и гуманитарные науки
  • Бизнес
  • Инженерная технология
  • Иностранный язык
  • История
  • Математика
  • Наука
  • Социальная наука

  Лучшие подкатегории

  • Продвинутая математика
  • Алгебра
  • Основы математики
  • Исчисление
  • Геометрия
  • Линейная алгебра
  • Предалгебра
  • Предварительный расчет
  • Статистика и вероятность
  • Тригонометрия
  • другое →

  Лучшие подкатегории

  • Астрономия
  • Астрофизика
  • Биология
  • Химия
  • Науки о Земле
  • Науки об окружающей среде
  • Здравоохранение
  • Физика
  • другое →

  Лучшие подкатегории

  • Антропология
  • Закон
  • Политология
  • Психология
  • Социология
  • другое →

  Лучшие подкатегории

  • Бухгалтерский учет
  • Экономика
  • Финансы
  • Менеджмент
  • другое →

  Лучшие подкатегории

  • Аэрокосмическая техника
  • Биоинженерия
  • Химическая промышленность
  • Гражданское строительство
  • Компьютерные науки
  • Электротехника
  • Промышленное проектирование
  • Машиностроение
  • Веб-дизайн
  • другое →

  Лучшие подкатегории

  Что такое IGBT — работа, работа, приложения и различные типы IGBT

  Самыми популярными и часто используемыми силовыми электронными переключателями являются биполярный переходной транзистор BJT и MOSFET. Мы уже подробно обсудили работу BJT и MOSFET, а также то, как они используются в схемах. Но у обоих этих компонентов были некоторые ограничения для использования в приложениях с очень высоким током. Итак, мы переместили еще одно популярное силовое электронное коммутационное устройство, называемое IGBT. Вы можете думать о IGBT как о слиянии BJT и MOSFET, эти компоненты имеют входные характеристики BJT и выходные характеристики MOSFET. В этой статье мы познакомимся с основами IGBT , как они работают и как использовать их в схемах.

  Что такое IGBT?

  IGBT — это короткая форма биполярного транзистора с изолированным затвором . Это трехконтактное полупроводниковое переключающее устройство, которое может использоваться для быстрого переключения с высокой эффективностью во многих типах электронных устройств. Эти устройства в основном используются в усилителях для коммутации / обработки сложных волновых схем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Типичный символ IGBT вместе с его изображением показан ниже.

  Как упоминалось ранее, IGBT представляет собой смесь BJT и MOSFET. Символ IGBT также представляет то же самое, поскольку вы можете видеть, что сторона входа представляет собой полевой МОП-транзистор с выводом затвора, а сторона вывода представляет собой BJT с коллектором и эмиттером. Коллектор и Эмиттер являются выводами проводимости, а затвор — это контрольный вывод , с помощью которого управляется операция переключения.

  Внутренняя структура IGBT

  IGBT может быть сконструирован с эквивалентной схемой, состоящей из двух транзисторов и MOSFET, поскольку IGBT обладает выходом указанной ниже комбинации транзистора PNP, транзистора NPN и MOSFET.IGBT сочетает в себе низкое напряжение насыщения транзистора с высоким входным импедансом и скоростью переключения полевого МОП-транзистора. Результат, полученный в результате этой комбинации, обеспечивает характеристики переключения и проводимости биполярного транзистора, но напряжение регулируется как полевой МОП-транзистор.

  Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и BJT, они также называются по-разному. различных названий IGBT — это транзистор с изолированным затвором (IGT), транзистор с изолированным затвором и оксидом металла (MOSIGT), полевой транзистор с модуляцией усиления (GEMFET), транзистор с кондуктивно-модулированным полевым эффектом (COMFET).

  Работа IGBT

  IGBT имеет три вывода, прикрепленных к трем различным металлическим слоям, металлический слой вывода затвора изолирован от полупроводников слоем диоксида кремния (SIO2). IGBT состоит из 4 слоев полупроводника, соединенных между собой. Слой ближе к коллектору — это слой подложки p +, выше, это слой n- , другой p-слой находится ближе к эмиттеру, а внутри p-слоя у нас есть слои n + .Соединение между слоем p + и n-слоем называется переходом J2, а соединение между n-слоем и p-слоем называется переходом J1. Структура IGBT показана на рисунке ниже.

  Чтобы понять, как работает IGBT , рассмотрим источник напряжения V _G , подключенный к клемме затвора по отношению к эмиттеру. Рассмотрим другой источник напряжения V _CC , подключенный между эмиттером и коллектором, где коллектор остается положительным по отношению к эмиттеру.Благодаря источнику напряжения V _CC переход J1 будет смещен в прямом направлении, а переход J2 будет смещен в обратном направлении. Поскольку J2 имеет обратное смещение, ток не будет протекать внутри IGBT (от коллектора к эмиттеру).

  Сначала учтите, что на вывод затвора не подается напряжение, на этом этапе IGBT будет в непроводящем состоянии. Теперь, если мы увеличим приложенное напряжение затвора, из-за эффекта емкости на слое SiO2 отрицательные ионы будут аккумулироваться на верхней стороне слоя, а положительные ионы будут накапливаться на нижней стороне слоя SiO2. Это вызовет введение отрицательно заряженных носителей заряда в p-область, чем выше приложенное напряжение V _G , тем больше будет вставка отрицательно заряженных носителей. Это приведет к образованию канала между переходом J2, который позволяет току течь от коллектора к эмиттеру . Прохождение тока представлено как путь тока на рисунке, когда приложенное напряжение затвора V _G увеличивается, величина тока, протекающего от коллектора к эмиттеру, также увеличивается.

  Типы IGBT

  IGBT классифицируется как два типа на основе буферного слоя n +, IGBT, которые имеют буферный слой n +, называются Punch through IGBT (PT-IGBT) , IGBT, у которых нет буферного слоя n +, называются без пробивки на сквозной IGBT (NPT-IGBT).

  Исходя из своих характеристик, NPT-IGBT и PT-IGBT называются симметричными и несимметричными IGBT. Симметричные IGBT имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя. Асимметричные IGBT — это те, которые имеют обратное напряжение пробоя меньше, чем прямое напряжение пробоя. Симметричные IGBT в основном используются в цепях переменного тока, тогда как асимметричные IGBT в основном используются в цепях постоянного тока, поскольку им не нужно поддерживать напряжение в обратном направлении.

  Разница между сквозным пропусканием через IGBT (PT-IGBT) и без пробивки через IGBT (NPT-IGBT)

  Пробивка через IGBT (PT-IGBT)	Без дырокола — IGBT (NPT — IGBT)
  Они менее устойчивы к отказу при коротком замыкании и обладают меньшей термостойкостью.	Они более надежны при отказе от короткого замыкания и обладают большей термостойкостью.
  Коллектор представляет собой сильно легированный слой P +	Коллектор представляет собой слаболегированный P-слой.
  Он имеет небольшой положительный температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии, поэтому параллельная работа требует большой осторожности и внимания.	Температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии строго положительный, поэтому параллельная работа проста.
  Потери при выключении более чувствительны к температуре, поэтому они значительно возрастают при более высокой температуре.	Потеря отключения менее чувствительна к температуре, поэтому она остается неизменной с температурой.

  Работа IGBT как цепи

  Поскольку IGBT представляет собой комбинацию BJT и MOSFET, давайте рассмотрим их работу в виде принципиальной схемы.На приведенной ниже схеме показана внутренняя схема IGBT , которая включает два BJT, один MOSFET и JFET. Контакты затвора, коллектора и эмиттера IGBT отмечены ниже.

  Коллектор транзистора PNP соединен с транзистором NPN через JFET, JFET соединяет коллектор транзистора PNP и базу транзистора PNP. Эти транзисторы скомпонованы таким образом, чтобы образовывать паразитный тиристор, созданный для создания контура отрицательной обратной связи .Резистор RB помещается так, чтобы закоротить выводы базы и эмиттера NPN-транзистора, чтобы гарантировать, что тиристор не защелкивается, что приводит к защелкиванию IGBT. JFET, используемый здесь, будет обозначать структуру тока между любыми двумя ячейками IGBT, позволяет использовать MOSFET и поддерживает большую часть напряжения.

  Характеристики переключения IGBT

  IGBT — это устройство , управляемое напряжением, , следовательно, ему требуется лишь небольшое напряжение на затвор, чтобы оставаться в состоянии проводимости. А поскольку это однонаправленные устройства, они могут переключать ток только в прямом направлении, то есть от коллектора к эмиттеру. Типичная схема переключения IGBT показана ниже, напряжение затвора V _G подается на штырь затвора для переключения двигателя (M) с напряжения питания V +. Резистор Rs примерно используется для ограничения тока через двигатель.

  Входные характеристики IGBT можно понять из приведенного ниже графика. Первоначально, когда на вывод затвора не подается напряжение, IGBT находится в выключенном состоянии и ток не течет через вывод коллектора.Когда напряжение, приложенное к выводу затвора, превышает пороговое напряжение , IGBT начинает проводить, и ток коллектора I _G начинает течь между выводами коллектора и эмиттера. Ток коллектора увеличивается относительно напряжения затвора, как показано на графике ниже.

  Выходные характеристики IGBT имеют три ступени. Первоначально, когда напряжение затвора V _GE равно нулю, устройство находится в выключенном состоянии, это называется областью отсечки .Когда V _GE увеличивается и если оно меньше порогового напряжения , то через устройство будет протекать небольшой ток утечки, но устройство все равно будет находиться в области отсечки. Когда напряжение V _GE превышает пороговое значение, устройство переходит в активную область , и ток начинает течь через устройство. Протекание тока будет увеличиваться с увеличением напряжения V _GE , как показано на графике выше.

  Приложения IGBT

  БТИЗ

  используются в различных приложениях, таких как приводы двигателей переменного и постоянного тока, нерегулируемые источники питания (ИБП), импульсные источники питания (SMPS), управление тяговыми двигателями и индукционный нагрев, инверторы, используемые для объединения полевых транзисторов с изолированным затвором для управления вход и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве и т. д.

  Пакеты IGBT

  ГБТ доступны в разных типах пакетов с разными названиями от разных компаний.Например, Infineon Technologies предлагает пакеты для сквозного монтажа и для поверхностного монтажа. Пакет сквозного типа включает ТО-262, ТО-251, ТО-273, ТО-274, ТО-220, ТО-220-3 FP, ТО-247, ТО-247AD. В комплект для поверхностного монтажа входят ТО-263, ТО-252.

  Изолированные драйверы затвора — что, почему и как?

  Аннотация

  БТИЗ / силовой полевой МОП-транзистор — это устройство, управляемое напряжением, которое используется в качестве переключающего элемента в цепях питания и приводах двигателей, среди других систем. Затвор — электрически изолированный управляющий терминал для каждого устройства.Другими выводами полевого МОП-транзистора являются исток и сток, а для IGBT они называются коллектором и эмиттером. Для работы MOSFET / IGBT обычно необходимо подавать напряжение на затвор относительно источника / эмиттера устройства. Специальные драйверы используются для подачи напряжения и подачи управляющего тока на затвор силового устройства. В этой статье обсуждается, что это за драйверы затвора, зачем они нужны и как определяются их основные параметры, такие как синхронизация, мощность привода и изоляция.

  Требуется драйвер ворот

  Структура IGBT / силового MOSFET такова, что затвор образует нелинейный конденсатор. Зарядка конденсатора затвора включает силовое устройство и позволяет току течь между его выводами стока и истока, а при его разрядке устройство выключается, и большое напряжение может затем блокироваться на выводах стока и истока. Минимальное напряжение, когда конденсатор затвора заряжен и устройство может почти проводить, является пороговым напряжением (V _TH ).Для работы IGBT / силового полевого МОП-транзистора в качестве переключателя между выводом затвора и истока / эмиттера должно быть подано напряжение, достаточно большее, чем V _TH .

  Рассмотрим цифровую логическую систему с микроконтроллером, который может выводить сигнал ШИМ от 0 В до 5 В на один из своих выводов ввода / вывода. Этого ШИМ будет недостаточно для полного включения силового устройства, используемого в энергосистемах, поскольку его повышающее напряжение обычно превышает стандартное логическое напряжение CMOS / TTL. Таким образом, необходим интерфейс между логической схемой / схемой управления и устройством большой мощности.Это может быть реализовано путем управления n-канальным MOSFET логического уровня, который, в свою очередь, может управлять силовым MOSFET, как показано на рисунке 1a.

  Рис. 1. Силовой полевой МОП-транзистор с инвертированной логикой.

  Как показано на рисунке 1a, когда IO ₁ отправляет низкий сигнал, V _GSQ1 THQ1 и, таким образом, MOSFET Q ₁ остается выключенным. В результате на затвор силового полевого МОП-транзистора Q ₂ подается положительное напряжение. Конденсатор затвора Q ₂ (C _GQ2 ) заряжается через подтягивающий резистор R ₁ , и напряжение затвора подтягивается к напряжению шины V _DD . Учитывая V _DD > V _THQ2 , Q ₂ включается и может проводить. Когда IO ₁ выдает высокий уровень, Q ₁ включается, а C _GQ2 разряжается через Q ₁ . V _DSQ1 ~ 0 В, так что V _GSQ2 THQ2 и, следовательно, Q ₂ отключается. Одной из проблем этой настройки является рассеяние мощности в R ₁ во время включения Q _1. Чтобы преодолеть это, pMOSFET Q ₃ может использоваться в качестве подтягивающего элемента для работы в качестве дополнения с Q ₁ , как показано на рисунке 1b.PMOS имеет низкое сопротивление в открытом состоянии, а благодаря очень высокому сопротивлению в выключенном состоянии рассеиваемая мощность в цепи возбуждения значительно снижается. Для управления частотой фронтов во время перехода затвора между стоком Q ₁ и затвором Q ₂ снаружи добавляется небольшой резистор. Еще одним преимуществом использования полевого МОП-транзистора является простота изготовления его на кристалле по сравнению с изготовлением резистора. Этот отдельный интерфейс для управления затвором переключателя питания может быть создан в виде монолитной ИС, которая принимает напряжение логического уровня и генерирует более высокую выходную мощность.Эта ИС драйвера затвора почти всегда будет иметь дополнительные внутренние схемы для большей функциональности, но в основном она работает как усилитель мощности и переключатель уровня.

  Основные параметры драйвера затвора

  Сила привода:

  Проблема обеспечения надлежащего напряжения затвора решается с помощью драйвера затвора, который выполняет функцию устройства сдвига уровня. Затворный конденсатор не может мгновенно изменять свое напряжение. Таким образом, силовой полевой транзистор или IGBT имеет ненулевой конечный интервал переключения.Во время переключения устройство может находиться в состоянии высокого тока и напряжения, что приводит к рассеиванию мощности в виде тепла. Таким образом, переход из одного состояния в другое должен быть быстрым, чтобы минимизировать время переключения. Для этого необходим высокий переходный ток для быстрой зарядки и разрядки конденсатора затвора.

  Рисунок. 2. MOSFET включает переход без драйвера затвора

  Драйвер, который может подавать / потреблять более высокий ток затвора в течение более длительного периода времени, обеспечивает меньшее время переключения и, следовательно, меньшие потери мощности переключения в транзисторе, который он управляет.

  Рис. 3. MOSFET включает переход с драйвером затвора.

  Номинальный ток источника и стока для контактов ввода / вывода микроконтроллера обычно составляет до десятков миллиампер, тогда как драйверы затвора могут обеспечивать гораздо более высокий ток. На рисунке 2 наблюдается большой интервал переключения, когда силовой полевой МОП-транзистор приводится в действие выводом ввода-вывода микроконтроллера при максимальном номинальном токе источника. Как видно на рис. 3, время перехода значительно сокращается при использовании изолированного драйвера затвора ADuM4121, который обеспечивает гораздо более высокий ток возбуждения, чем вывод ввода-вывода микроконтроллера и управляет тем же мощным полевым МОП-транзистором. Во многих случаях управление более мощным MOSFET / IGBT напрямую с микроконтроллером может привести к перегреву и повреждению системы управления из-за возможного перетягивания тока в цифровой цепи. Драйвер затвора с более высокой пропускной способностью обеспечивает быстрое переключение со временем нарастания и спада в несколько наносекунд. Это снижает коммутационные потери мощности и приводит к более эффективной системе. Следовательно, ток возбуждения обычно считается важным показателем при выборе драйверов затвора.

  Номинальному току возбуждения соответствует сопротивление в открытом состоянии сток-исток (R _{DS (ON)} ) драйвера затвора.Хотя в идеале значение R _{DS (ON)} должно быть равным нулю для MOSFET, когда он полностью включен, обычно оно находится в диапазоне нескольких Ом из-за его физической структуры. При этом учитывается общее последовательное сопротивление на пути прохождения тока от стока к истоку.

  R _{DS (ON)} является истинным основанием для максимальной номинальной силы возбуждения драйвера затвора, поскольку он ограничивает ток затвора, который может быть обеспечен драйвером. R _{DS (ON)} внутренних переключателей определяет ток потребителя и источника, но внешние последовательные резисторы используются для уменьшения тока возбуждения и, таким образом, влияют на скорость фронтов.Как видно на рисунке 4, активное сопротивление на стороне высокого напряжения и внешний последовательный резистор R _EXT образуют резистор затвора в пути зарядки, а сопротивление на стороне низкого уровня с R _EXT образует резистор затвора в пути разряда. .

  Рис. 4. Модель RC-цепи драйвера затвора с выходным каскадом MOSFET и силовым устройством в качестве конденсатора.

  R _{DS (ON)} также напрямую влияет на внутреннюю рассеиваемую мощность драйвера. Для определенного тока привода меньшее значение R _{DS (ON)} позволяет использовать более высокое значение R _EXT .Поскольку рассеиваемая мощность распределяется между R _EXT и R _{DS (ON)} , _{, более высокое значение R EXT подразумевает, что больше мощности рассеивается вне драйвера. Следовательно, для повышения эффективности системы и ослабления любых требований терморегулирования в драйвере более низкое значение R DS (ON) является предпочтительным для данной площади кристалла и размера ИС.}

  Рис. 5. Драйверы затвора ADuM4120 и временные диаграммы.

  Время:

  Параметры синхронизации драйвера затвора

  важны для оценки его производительности.Общая спецификация синхронизации для всех драйверов затвора, включая ADuM4120, показанная на рисунке 5, — это задержка распространения (t _D ) драйвера, которая определяется как время, необходимое входному фронту для распространения на выход. Как показано на рисунке 5, задержка нарастания распространения (t _DLH ) может быть определена как время между возрастанием фронта входного сигнала выше верхнего порогового значения входа (V _IH ) до выхода выхода, превышающего 10% от его конечного значения. Точно так же задержка распространения на спад (t _DHL ) может быть определена как время от падения входного фронта ниже нижнего порога входа V _IL до момента, когда выходной сигнал упадет ниже 90% своего высокого уровня. Задержка распространения для перехода выхода может быть разной для переднего и заднего фронта.

  На рисунке 5 также показаны времена нарастания и спада сигнала. На эти частоты фронтов влияет ток возбуждения, который может выдать деталь, но они также зависят от приводимой нагрузки и не учитываются при вычислении задержки распространения. Другой параметр синхронизации — это искажение ширины импульса, которое представляет собой разницу между задержкой нарастания и спада распространения в одной и той же части. Таким образом, широтно-импульсные искажения (PWD) = | t _{DLH —} t _DHL |.

  Из-за несоответствия транзисторов в разных частях задержка распространения на двух частях никогда не будет одинаковой. Это приводит к перекосу задержки распространения (t _SKEW ), который определяется как разница во времени между выходными переходами на двух разных частях при реакции на один и тот же вход в одних и тех же рабочих условиях. Как видно на рисунке 5, асимметрия задержки распространения определяется как межчастичная. Для частей, которые имеют более одного выходного канала, эта спецификация сформулирована таким же образом, но отмечена как межканальный перекос.Смещение задержки распространения обычно не может быть учтено в цепи управления.

  На рис. 6 показана типичная установка драйверов затвора ADuM4121, используемых с силовыми MOSFET в полумостовой конфигурации для источников питания и приводов двигателей. В такой настройке, если одновременно включены Q ₁ и Q ₂ , существует вероятность прострела из-за короткого замыкания клемм питания и заземления. Это может необратимо повредить переключатели и даже схему привода. Чтобы избежать сквозного пробоя, в системе должно быть установлено мертвое время, так что вероятность того, что оба переключателя будут включены одновременно, значительно уменьшится.В течение интервала мертвого времени стробирующий сигнал к обоим переключателям низкий и, таким образом, переключатели идеально находятся в выключенном состоянии. Если перекос задержки распространения меньше, требуемое мертвое время меньше и управление становится более предсказуемым. Более низкий перекос и меньшее мертвое время обеспечивают более плавную и эффективную работу системы.

  Временные характеристики важны, поскольку они влияют на скорость работы переключателя питания. Понимание этих параметров позволяет упростить и повысить точность схемы управления.

  Изоляция:

  Это электрическое разделение между различными функциональными цепями в системе, при котором между ними нет прямого проводящего пути. Это позволяет отдельным цепям иметь разные потенциалы заземления. Сигнал и / или мощность могут по-прежнему проходить между изолированными цепями с использованием индуктивных, емкостных или оптических методов. Для системы с драйверами ворот изоляция может быть необходима для функциональных целей, а также может быть требованием безопасности. На рисунке 6 у нас может быть V _BUS с напряжением в сотни вольт с током в десятки ампер, проходящим через Q ₁ или Q ₂ в данный момент времени.В случае какой-либо неисправности в этой системе, если повреждение ограничивается электронными компонентами, безопасная изоляция может не потребоваться, но гальваническая развязка является обязательным требованием между стороной высокого напряжения и цепью управления низкого напряжения, если в системе присутствует какое-либо участие человека. сторона управления. Он обеспечивает защиту от любых неисправностей на стороне высокого напряжения, поскольку изолирующий барьер блокирует доступ электроэнергии к пользователю, несмотря на повреждение или отказ компонентов.

  Рис. 6. Изоляционные барьеры в полумостовой установке с изолированными драйверами затвора ADuM4121

  Изоляция

  требуется регулирующими органами и агентствами по сертификации безопасности для предотвращения опасности поражения электрическим током.Он также защищает низковольтную электронику от любого повреждения из-за неисправностей на стороне высокой мощности. Есть разные способы описать безопасную изоляцию, но на фундаментальном уровне все они относятся к напряжению, при котором изолирующий барьер выходит из строя. Это номинальное напряжение обычно дается на протяжении всего срока службы драйвера, а также для переходных процессов напряжения определенной продолжительности и профиля. Эти уровни напряжения также соответствуют физическим размерам ИС драйвера и минимальному расстоянию между контактами через изолирующий барьер.

  Помимо соображений безопасности, для правильной работы системы также может иметь значение изоляция. На рисунке 6 показана полумостовая топология, обычно используемая в схемах привода двигателя, где в данный момент времени включен только один переключатель. На стороне высокой мощности исток транзистора Q ₂ нижней стороны заземлен. Напряжение затвор-исток Q ₂ (V _GSQ2 ), таким образом, напрямую связано с землей, и конструкция схемы возбуждения относительно проста. Это не относится к транзистору Q ₁ верхнего плеча, поскольку его источником является коммутационный узел, который подтягивается либо к напряжению шины, либо к земле, в зависимости от того, какой переключатель включен.Чтобы включить Q ₁ , необходимо подать положительное напряжение затвор-исток (V _GSQ1 ), которое превышает его пороговое напряжение. Таким образом, напряжение затвора Q ₁ будет выше, чем V _BUS , когда он находится во включенном состоянии, когда источник подключается к V _BUS . Если управляющая цепь не имеет изоляции для заземления, для управления Q ₁ потребуется напряжение, превышающее V _BUS . Это громоздкое решение, которое непрактично для эффективной системы.Таким образом, требуются управляющие сигналы, которые сдвинуты по уровню и привязаны к истоку транзистора верхнего плеча. Это известно как функциональная изоляция, и ее можно реализовать с помощью изолированного драйвера затвора, такого как ADuM4223.

  Помехозащищенность:

  Драйверы затвора

  используются в промышленных средах, которые по своей природе имеют множество источников шума. Шум может повредить данные и сделать систему ненадежной, что приведет к снижению производительности. Таким образом, драйверы затворов должны иметь хорошую помехоустойчивость для обеспечения целостности данных.Помехоустойчивость зависит от того, насколько хорошо драйвер отклоняет электромагнитные помехи (EMI) или радиочастотный шум и синфазные переходные процессы.

  EMI — это любые электрические помехи или магнитные помехи, которые нарушают ожидаемую работу электронного устройства. Электромагнитные помехи, которые влияют на драйверы затворов, являются результатом высокочастотных схем переключения и в основном создаются из-за магнитного поля от крупных промышленных двигателей. EMI могут излучаться или проводиться и могут передаваться в другие близлежащие цепи. Следовательно, невосприимчивость к EMI или RF — это показатель, который относится к способности драйвера затвора отклонять электромагнитные помехи и поддерживать надежную работу без ошибок.Высокая устойчивость к электромагнитным помехам позволяет использовать драйверы в непосредственной близости от больших двигателей без каких-либо сбоев в передаче данных.

  Как видно на Рисунке 6, предполагается, что изолирующий барьер будет обеспечивать изоляцию высокого напряжения между землями при различных потенциалах. Но высокочастотное переключение приводит к коротким фронтам переходов напряжения на вторичной стороне. Эти быстрые переходные процессы связаны от одной стороны к другой из-за паразитной емкости между границей изоляции, которая может привести к повреждению данных.Это может быть в форме внесения джиттера в сигнал управления затвором или полной инверсии сигнала, что в некоторых случаях приводит к низкой эффективности или даже прострелу. Таким образом, определяющей метрикой для драйверов затвора является устойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI), которая количественно описывает способность изолированного драйвера затвора отклонять большие синфазные переходные процессы между его входом и выходом. Устойчивость драйвера должна быть высокой, если скорость нарастания в системе высока. Таким образом, числа CMTI особенно важны при работе на высоких частотах и ​​больших напряжениях на шине.

  Заключение

  Эта статья предназначена для введения в драйверы затвора, и, таким образом, обсуждаемые до сих пор параметры не составляют исчерпывающий список в отношении спецификаций изолированных драйверов затвора. Существуют и другие параметры драйвера, такие как напряжение питания, допустимая температура, распиновка и т. Д., Которые часто рассматриваются, как и для любой электронной части.