Транзисторы игбт: IGBT транзистор. Принцип работы и применение.

IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

В настоящее время в электронике имеют большую популярность IGBT транзисторы. Если расшифровать эту аббревиатуру с английского языка, то это биполярный транзистор с изолированным затвором. Он применяется в виде электронного мощного ключа для систем управления приводами механизмов, в источниках питания.

IGBT транзисторы

Этот силовой транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.

Наибольшей популярностью пользуются IGBT в силовых цепях преобразователей частоты и электродвигателей переменного тока мощностью до 1 мегаватта. По вольтамперным свойствам эти транзисторы аналогичны биполярным моделям полупроводников, но качество и чистота коммутации у них намного больше.

Современные технологии изготовления дают возможность оптимизировать транзисторы по функциональным характеристикам. Уже разработаны полупроводники, способные работать при большем напряжении и величине тока.

Основные параметры

• Управляющее напряжение – это разность потенциалов, способная управлять работой затвора.
• Наибольший допустимый ток.
• Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.
• Ток отсечки эмиттер-коллектор.
• Напряжение насыщения эмиттер-коллектор.
• Входная емкость.
• Выходная емкость.
• Паразитная индуктивность.
• Период задержки подключения.
• Период задержки выключения.
• Внутреннее сопротивление.

В регуляторах скорости применяются IGBT транзисторы с рабочей частотой в несколько десятков кГц.

Достоинства

• Простая параллельная схема.
• Отсутствие потерь.
• Повышенная плотность тока.
• Устойчивость к замыканиям.
• Малые потери в открытом виде.
• Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).
• Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).

При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:

• Правильный подбор тока защиты.
• Выбор сопротивления затвора.
• Использование обходных путей коммутации.

Устройство и работа

Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.

 

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:

• При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.
• Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.

 

IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению. Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:

• С помощью привязки к определенному значению напряжения. Это достигается тогда, когда драйвер затвора имеет постоянное напряжение. Главным способом является добавление в схему диода, имеющего малое падение напряжения (диод Шоттки). Значительный эффект получается путем уменьшения индуктивности цепи затвора и питания.
• Ограничение значения напряжения затвора путем использования стабилитрона в схеме затвора и эмиттера. Неплохая эффективность получается за счет установки диодов к дополнительным клеммам модуля. Диоды применяются с малым разбросом и температурной зависимостью.
• Подключение в цепь отрицательной обратной связи эмиттера. Такой способ доступен, когда подключен эмиттер драйвера затвора к клеммам эмиттера модуля.

Сфера использования

IGBT транзисторы чаще всего работают в сетях высокого напряжения до 6,5 киловольт для надежной и безопасной работы электроустановок в аварийном режиме при коротких замыканиях.

Вышеперечисленные свойства транзисторов дают возможность использовать их в частотно-регулируемых приводах, инверторах, импульсных регуляторах тока, а также в сварочных аппаратах.

Также IGBT применяются в системах мощных приводов управления электровозов, троллейбусов. Это повышает КПД и создает повышенную плавность хода.

Силовые транзисторы широко используются в цепях высокого напряжения. Они входят в состав схем посудомоечных машин, бытовых кондиционеров, автомобильного зажигания, блоков питания телекоммуникационного оборудования.

Проверка исправности

IGBT транзисторы проверяются в случаях ревизии при неисправностях электрического устройства. Проверку проводят с помощью мультитестера путем прозвонки электродов эмиттера и коллектора в двух направлениях, чтобы проверить отсутствие замыкания. Емкость входа эмиттер-затвор необходимо зарядить отрицательным напряжением. Это делается кратковременным касанием щупа мультиметра «СОМ» затвора и щупа «V/Ω/f» эмиттера.

Чтобы произвести проверку, нужно убедиться, работает ли в нормальном режиме транзистор. Для этого зарядим емкость на входе эмиттер-затвор положительным полюсом.  Это делается коротким касанием щупа «V/Ω/f» затвора, а щупа «СОМ» эмиттера. Контролируется разность потенциалов эмиттера и коллектора, которая не должна превышать 1,5 вольта. Если напряжения тестера не хватит для открывания транзистора, то входную емкость можно зарядить от питания напряжением до 15 вольт.

Условное обозначение

Транзисторы имеют комбинированную структуру, то и обозначения у них соответствующие:

IGBT модули

Силовые транзисторы производятся не только в виде отдельных полупроводников, но и в виде модулей. Такие модули входят в состав частотных преобразователей для управления электромоторами.

Схема преобразователя частоты имеет технологичность изготовления выше, если в состав входят модули IGBT транзисторов. На изображенном модуле выполнен мост из двух силовых транзисторов.

IGBT транзисторы нормально функционируют при рабочей частоте до 50 кГц. Если частоту повышать, то повышаются и потери. Свои возможности силовые транзисторы проявляют максимально при напряжении выше 400 В. Поэтому такие транзисторы часто встречаются в мощных электрических приборах высокого напряжения, а также в промышленном оборудовании.

Из истории возникновения

Полевые транзисторы стали появляться в 1973 году. Затем разработали составной транзистор, который оснастили управляемым транзистором с помощью полевого полупроводника с затвором.

Первые силовые транзисторы имели недостатки, выражавшиеся в медленном переключении, низкой надежностью. После 90 годов и по настоящее время эти недостатки устранены. Силовые полупроводники имеют повышенное входное сопротивление, малый уровень управляющей мощности, малый показатель остаточного напряжения.

Сейчас существуют модели транзисторов, способных коммутировать ток до нескольких сотен ампер, с рабочим напряжением в тысячи вольт.

Похожие темы:

Что такое IGBT-транзисторы

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц.

Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Владимир Дьяконов

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Ранее ЭлектроВести писали, что немецкие инженеры разработали полевой транзистор на основе оксида галлия с пробивным напряжением 1,8 кВ и рекордной добротностью — 155 МВт на квадратный сантиметр. Такие показатели приближают элемент к теоретическому лимиту оксида галлия.

По материалам: electrik.info.

Основные параметры и аспекты применения дискретных IGBT

1 октября 2018

Инструкция по особенностям практического применения дискретных транзисторов IGBT с экскурсом в основы теории и результатами практических испытаний для трех моделей IGBT производства Infineon: IRG7PC35SD для резонансных приложений с мягкими переключениями, IRGB20B50PD1

для работы на высоких частотах и IRGP4069D для высокочастотных приложений с жесткими переключениями.

Требования к схеме управления затвором

Влияние импеданса цепи затвора на потери при переключениях

Эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) состоит из биполярного PNP-транзистора, управляемого N-канальным МОП-транзистором (MOSFET) (рисунок 1). Вывод, называемый коллектором, фактически является эмиттером для внутреннего PNP-транзистора. MOSFET управляет базой PNP-транзистора и определяет скорость включения и падение напряжения на IGBT в открытом состоянии. Таким образом, выход внешнего драйвера подключается напрямую к затвору MOSFET, ток стока которого становится базовым током PNP-транзистора. Поскольку характеристики включения IGBT сильно зависят от параметров входного МОП-транзистора, то потери на включение определяются величиной импеданса цепи затвора. С другой стороны, характеристики выключения в основном зависят от скорости рекомбинации неосновных носителей, а значит, параметры встроенного МОП-транзистора значительно меньше влияют на уровень потерь IGBT при выключении.

Рис. 1. Эквивалентная схема IGBT

В результате, в отличие от силовых МОП-транзисторов, заряд затвора IGBT не полностью определяет уровень динамических потерь. В то же время заряд затвора остается важным параметром при расчете цепей управления IGBT.

Увеличение импеданса в цепи затвора продлевает плато Миллера и уменьшает скорость спадания тока. В то же время влияние импеданса на общие потери коммутации зависит от конструкции IGBT и его динамических характеристик. При этом потери на включение для всех без исключения IGBT сильно зависят от величины импеданса. Однако влияние импеданса на потери при выключении зависит от скорости IGBT и его технологии. Например, trench-IGBT и высокоскоростные IGBT отличаются большей чувствительностью к импедансу в цепи затвора. Однако, в любом случае верно, что входной импеданс затвора IGBT имеет большое значение, а дополнительный импеданс, вносимый цепью управления, оказывает меньшее влияние на уровень потерь.

На практике импеданс в цепи затвора часто увеличивают, чтобы ограничить выбросы тока, вызванные восстановлением обратного диода, при включении. Такой подход во многих случаях способен значительно снизить динамические потери. При этом негативное влияние от увеличения импеданса можно минимизировать с помощью дополнительного обратного диода, включенного параллельно затворному резистору. Это позволит сократить потери при выключении.

Зависимость энергии переключения от величины сопротивления в цепи затвора, как правило, всегда приводится в документации на современные силовые ключи.

Влияние импеданса цепи затвора на чувствительность к шуму

В биполярных транзисторах с изолированным затвором любое изменение напряжения dv/dt на коллекторе оказывает влияние на напряжение на затворе из-за наличия паразитной емкостной связи. Эта связь определяется делителем, образованным емкостью Миллера C_RES и емкостью «затвор-эмиттер» C_GE (рисунок 2а). При определенном соотношении этих двух емкостей и импеданса затвора (Z_G) выброс напряжения может оказаться достаточным для включения IGBT.

Если затвор не имеет жесткой связи с эмиттером, то определенный высокий уровень dv/dt на коллекторе может вызвать на затворе значительный выброс напряжения, превышающий пороговое напряжение, что приведет к переходу IGBT в открытое состояние. По мере перехода IGBT в проводящее состояние происходит ограничение dv/dt, спад напряжения на затворе и окончательное закрывание транзистора (рисунок 2б). В результате описанного выше процесса  через IGBT протекает короткий импульс сквозного тока, который вызывает дополнительные потери мощности.

Обратите внимание, что сквозной ток, протекающий через IGBT, сложно отделить от тока перезаряда выходной емкости (рисунок 2б). Сквозной ток начинает преобладать только после того, как напряжение затвора превысит пороговое значение (приблизительно от 3 до 5 В), а емкостный ток перезаряда начинает протекать сразу же, как только начинается изменение dv/dt на коллекторе.

Чтобы уменьшить чувствительность к помехам и снизить риск паразитного включения IGBT, импеданс в цепи затвора в выключенном состоянии транзистора должен быть минимальным, а напряжение затвора близким к нулю. Для решения этой задачи иногда применяют дополнительный PNP-транзистор в цепи затвора IGBT (рисунок 2а).

В приложениях с высокой мощностью для включения и выключения IGBT часто используют уровни  управляющего напряжения затвора от +15 В до -5…-15 В соответственно. Это обеспечивает дополнительный уровень помехоустойчивости и улучшает характеристики переключения. Однако такой подход требует создания дополнительного изолированного источника питания для IGBT верхнего плеча, что увеличивает стоимость схемы управления. Важно отметить, что если в приложении необходимо только лишь обеспечить защиту от dv/dt, то для решения проблемы может быть достаточно дополнительного конденсатора, включенного между затвором и истоком, или рассмотренного выше варианта с PNP-транзистором (рисунок 2а).

Рис. 2. Изменение напряжения dv/dt на коллекторе нижнего IGBT приводит к изменению напряжения на затворе и появлению сквозного тока

Таким образом, бывают случаи, когда увеличение рассеиваемой мощности из-за эффекта dv/dt оказывается меньшим из зол по сравнению с необходимостью создания сложной схемы управления с отрицательным напряжением для управления затвором. В любом случае индуктивность в цепи затвора должна быть минимизирована, например, за счет подключения затвора с помощью нескольких параллельных дорожек на печатной плате или применения нескольких скрученных проводов.

Компания Infineon предлагает большой выбор драйверов, отвечающих требованиям самих разных приложений. Например, схема, представленная на рисунке 3, обеспечивает простое, недорогое и эффективное решение для управления затвором IGBT. В качестве еще одного примера можно привести схему, изображенную на рисунке 4. В ней драйвер контролирует напряжение затвора, что позволяет ему при необходимости ограничивать ток и обеспечивать защиту от короткого замыкания.

Рис. 3. IR2110 обеспечивает простое, высокопроизводительное и недорогое решение для управления полумостовой схемой

Рис. 4. Схема управления IGBT с защитой от короткого замыкания

Вклад общей индуктивности эмиттера в импеданс цепи затвора

Под понятием «общая индуктивность эмиттера» понимается индуктивность, которая является общей для тока коллектора и тока затвора (рисунок 5а). Эта индуктивность определяет дополнительную обратную связь между коллектором и затвором, которая пропорциональна L·di_C/dt. Не сложно заметить, что падение напряжения на этой индуктивности вычитается из напряжения затвор-исток при включении транзистора, и добавляется к нему при выключении. Таким образом, общая индуктивность замедляет процесс переключения IGBT.

Это явление похоже на эффект Миллера, за исключением того, что оно пропорционально скорости изменения тока коллектора di/dt, а не его напряжения dv/dt. В обоих случаях обратная связь пропорциональна крутизне передаточной характеристики IGBT, которая определяется размером кристалла и используемой технологией. Значение di/dt на уровне 0,7 A/нс является распространенным для схем с IGBT. В таком случае при наличии паразитной индуктивности 10 нГн, на ней можно ожидать падения напряжения 7 В. Стоит отметить, что обратная связь замедляет процесс включения, тем самым ограничивая di_C/dt.

Простые меры предосторожности могут снизить общую индуктивность эмиттера до минимального значения, которое определяется паразитной индуктивностью корпуса транзистора. Для этого следует разделить проводники, используемые для протекания тока коллектора, и проводники, относящиеся к схеме управления затвором (рисунок 5б). При этом, чтобы дополнительно уменьшить индуктивность, необходимо свить прямой и обратный проводники в цепи затвора или разместить их параллельно, если речь идет о печатной плате. Эти методы повышают стойкость к изменению di/dt и уменьшают звон в цепи затвора.

Рис. 5. Общая индуктивность эмиттера может быть уменьшена за счет использования отдельных проводников для протекания тока коллектора и для управления затвором

Траектории переключения и область безопасной работы ОБР

При работе с большими токами и напряжениями неосновные носители могут быть неравномерно распределены по кристаллу IGBT, что в случае выхода из области безопасной работы (ОБР) приводит к отказу силового ключа. В разделе 6 руководства AN-983 от Infineon/International Rectifier рассматриваются условия, при которых это происходит.

Распределение тока внутри кристалла может быть различным и зависит от знака связанного с ним di/dt. Поэтому область безопасной работы представляется в виде двух графиков: ОБР с прямым смещением и ОБР с обратным смещением.

ОБР с прямым смещением относится к работе транзисторов в линейных режимах A и B, а также в режиме короткого замыкания, который можно рассматривать как предельный случай режима B. Данные о тепловых ограничениях при работе IGBT с импульсными токами часто включаются в график ОБР, хотя на кривой теплового отклика (Transient Thermal Response) эта же информация представляется более полно и точно. Из-за ограниченного использования IGBT в линейном режиме график ОБР с прямым смещением обычно не приводится в документации.

ОБР с обратным смещением относится к случаю выключения индуктивной нагрузки и к случаю выключения при коротком замыкании (рисунок 6). На первом этапе при отключении индуктивной нагрузки напряжение на коллекторе транзистора увеличивается от низкого значения V_CE(sat) до полного напряжения питания, при этом ток коллектора остается постоянным. После этого напряжение на коллекторе продолжает нарастать и превышает напряжение питания. Когда напряжение на коллекторе превышает напряжение питания на величину прямого падения p-n-перехода, диод, включенный параллельно индуктивности, открывается, тем самым отводя ток от транзистора. Таким образом, рабочая точка движется вдоль линии постоянного тока до тех пор, пока напряжение коллектор-эмиттер не превысит напряжение питания (рисунок 6б). Дальнейшее увеличение напряжения коллектора зависит от величины паразитной индуктивности L_S и скорости выключения.

Рис. 6. Отключение индуктивной нагрузки и траектория рабочей точки во время переходного процесса

Очевидно, что для обеспечения безопасной коммутации вся траектория переключения должна лежать внутри ОБР. Таким образом, ОБР накладывет ограничения на величину коммутируемой индуктивной нагрузки.

Вторичный пробой IGBT происходит при токах и напряжениях, которые значительно превышают типовые значения, встречающиеся в реальных приложениях. {t}{V_{CE}(i)\times i(t)dt},$$

где t — длина импульса. Зная энергию, можно рассчитать рассеиваемую мощность, для чего следует умножить энергию на частоту. При этом полагается, что потери оказываются незначительными, когда транзистор выключен i(t) ≈ 0. К сожалению, не существует простых выражений для определения напряжений и токов для IGBT в момент, когда он проводит ток. Следовательно, для упрощения мы будем разделять потери на две составляющие: статические потери проводимости и динамические потери при переключениях.

К потерям проводимости относятся потери, возникающие между окончанием интервала включения и началом интервала выключения. Обычно энергия включения измеряется в интервале времени между моментом, когда ток коллектора превышает значение 5% от номинального значения, до момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» падает до 5% от испытательного напряжения. Аналогично, энергия выключения измеряется с момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» превышает 5% от испытательного напряжения. Таким образом, потери проводимости следует отсчитывать с момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» составляет менее 5% от испытательного или питающего напряжения (см. руководство AN-983 от  Infineon/International Rectifier, раздел 8.4). Зависимость V_CE(i) в приведенной выше формуле определяет поведение IGBT в открытом состоянии. Эта информация представлена в документации в виде графиков и табличных значений.

Как правило, в таблицах приводится информация только для нескольких конкретных рабочих точек. Однако, используя дополнительные данные, получаемые из графиков, можно выполнить расчет потерь проводимости. Поиск максимального напряжения V_CE при любом токе и температуре делается за три шага:

1. Определите типовое значение напряжения коллектор-эмиттер V_CE из графика типовой зависимости V_CE от тока коллектора i_C для заданных значений тока и температуры кристалла.
2. Определите коэффициент разброса прямого падения напряжения V_CE. Для этого разделите максимальное значение V_CE на типовое значение V_CE, взятые из табличных данных.
3. Умножьте значение V_CE, полученное на первом шаге, на коэффициент разброса.

Умножая полученное максимальное значение V_CE на величину номинального тока и на длительность импульса, получаем энергию потерь проводимости. Если же требуется рассчитать мощность потерь, то произведение тока и напряжения следует умножать на коэффициент заполнения.

Описанный алгоритм расчета относится к случаю, когда ток коллектора имеет постоянное значение в течение интервала проводимости. Если форма сигнала в течение интервала проводимости непостоянна, то интервал следует разделить на части, и рассчитать потери проводимости для каждой из частей с последующим суммированием. В идеале самым универсальным способом является построение математической модели с аппроксимацией зависимости тока и напряжения, а также формы рабочего сигнала с дальнейшим выполнением интегрирования.

Потери при жестких переключениях

При определении динамических потерь при жестких переключениях следует отдельно рассчитывать потери при включении и потери при выключении.

Как и в случае с потерями проводимости, потери при жестких переключениях рассчитываются с учетом графиков и табличных данных, приведенных в документации.

Как поясняется в разделе 8.4 руководства AN-983 от Infineon/International Rectifier, значение энергии переключения, указанное в документации, приводится для конкретных тестовых условий и для конкретной схемы испытаний. Важно помнить, что энергия переключения значительно изменяется с температурой, и все вычисления должны проводиться с учетом данных, приведенных для заданной температуры.

Потери на включение и выключение могут быть рассчитаны с использованием методики, описанной в предыдущем разделе, с некоторыми дополнительными изменениями:

• Показатели потерь энергии должны быть масштабированы с учетом рабочего напряжения. Как уже было сказано, данные, представленные в документации, были получены при определенном значении напряжения, которое может иметь другое значение в рассчитываемой схеме.
• Точно так же сопротивление в цепи затвора тестовой схемы, применяемой в документации, может отличаться от сопротивления, используемого в фактическом приложении. В последнее время в документации приводится зависимость энергии переключения от сопротивления в цепи затвора.
• чтобы получить значение потерь мощности, следует умножить энергию переключения на частоту.

Переходной процесс при включении транзистора осложняется из-за восстановления диода, подключенного параллельно индуктивной нагрузке (рисунок 6а). Когда IGBT включается, через него начинает протекать не только ток нагрузки, но и ток восстановления обратного диода. Данные о потерях из-за встроенного диода также приводят в современной документации.

Ранее при тестировании IGBT использовалась другая тестовая схема с «идеальным диодом». Поэтому в документации приводились данные о потерях на включение без потерь на диоде. Таким образом, при необходимости эти составляющие потерь следует рассчитать по отдельности и сложить.

На рисунке 7 показана типовая форма сигналов при включении. Обратите внимание, что обратное восстановление диода увеличивает динамические потери за счет двух механизмов:

Рис. 7. Обратное восстановление диода увеличивает ток нагрузки (IRGP4066D, 400 В, 75 А, 175°C)

• из-за того, что ток восстановления диода добавляется к току транзистора, когда напряжение коллектора все еще близко к напряжению питания;
• из-за того, что уменьшение напряжения происходит с задержкой.

Как и в случае с расчетом потерь проводимости, потери при переключениях можно рассчитать с помощью относительно простых алгоритмов.

Компромисс между потерями проводимости и потерями при переключениях: оптимизация транзисторов

Для повышения эффективности преобразовательных схем компания Infineon предлагает использовать специализированные IGBT, предназначенные для работы в составе конкретных приложений. Например, существуют транзисторы, оптимизированные для питания двигателей, для индукционного нагрева, для плазменных дисплеев и т.д.

В результате номенклатура IGBT разрастается и становится достаточно разнообразной. По этой причине  поиск оптимального транзистора превращается в сложный итерационный процесс, который практически невозможно формализовать. Кроме того, разработчикам силовых схем приходится искать компромисс между потерями на переключения, потерями проводимости и требованиями устойчивости к короткому замыканию. Чтобы продемонстрировать необходимость компромисса, приведем пример сравнения различных транзисторов в рамках типовой импульсной схемы с учетом тепловых показателей.

Для сравнения различных моделей IGBT была выбрана популярная полумостовая схема, коммутирующая индуктивную нагрузку. Условия проведения испытаний приведены на рисунке 8, и могут быть изменены в соответствии с конкретным приложением. Вместо полумоста можно использовать обратноходовые или резонансные схемы. Из рисунка 8 становится видно, что изменение рабочей частоты по-разному влияет на значение максимального коммутируемого тока для разных транзисторов.

Рис. 8. Зависимость максимального коммутируемого тока от частоты переключений для трех разных IGBT

На рисунке 8 изображены результаты испытаний для следующих моделей IGBT:

• IRG7PC35SD – IGBT-транзистор, выполненный по trench-технологии с высокой плотностью и разработанный с целью получения минимального падения напряжения. Этот транзистор является идеальным выбором для резонансных приложений (с мягкими переключениями). Как и следовало ожидать, в результате испытаний IRG7PC35SD продемонстрировал отличные показатели на низких частотах.
• IRGB20B50PD1 – планарный транзистор технологии Gen 5. Несмотря на то, что IRGB20B50PD1 был разработан в конце девяностых годов, он по-прежнему остается одним из лучших транзисторов для работы на высоких частотах, несмотря на то, что падение напряжения у него выше, чем у транзисторов, выполненных по trench-технологии.
• IRGP4069D – IGBT-транзистор, производимый по trench-технологии, предназначенный для высокочастотных приложений с жесткими переключениями.

Тепловой анализ

IGBT, как и силовые МОП-транзисторы и тиристоры, имеют ограничения, связанные с тепловым режимом эксплуатации. Грамотно выполненный тепловой анализ становится ключом к их эффективному использованию. Эта тема подробно освещена в руководстве AN-1057 от Infineon/International Rectifier.

В общем случае целью теплового анализа является выбор оптимального радиатора. Для этого может потребоваться ряд расчетов, как указано в руководстве AN-949 от Infineon/International Rectifier.

Чтобы значение теплового сопротивления «корпус-радиатор» соответствовало значению, указанному в документации, следует при монтаже использовать то же самое усилие затяжки. Стоит помнить, что чрезмерное усилие затяжки приводит к деформации корпуса и может повредить кристалл. С другой стороны, недостаточный момент затяжки приводит к ухудшению теплоотвода.

Повышение температуры при работе с короткими импульсами тока может быть рассчитано с помощью кривой теплового отклика (thermal response curve), которая приводится в документации. Этот расчет рассматривается в разделе «Peak Current Rating» руководства AN-949 от Infineon/International Rectifier.

Для коротких импульсов (5 мс или менее) повышение температуры, рассчитанное с помощью кривой теплового отклика, как правило, оказывается неточным. В таких случаях требуется выполнение подробного моделирования.

Замена MOSFET-транзисторов на IGBT

Во многих высоковольтных приложениях не удается использовать МОП-транзисторы, несмотря на их отличные динамические характеристики. Причиной этого является их невысокая устойчивость к помехам и наличие значительных паразитных индуктивностей. В таких случаях IGBT становятся наиболее привлекательной альтернативой по целому ряду причин. К преимуществам IGBT можно отнести:

• минимальные потери проводимости, которые слабо зависят от температуры.
• меньшая площадь кристалла по сравнению с MOSFET, что приводит к уменьшению входной емкости, упрощению управления затвором и снижению стоимости.
• отсутствие резких перепадов di/dt и dv/dt, что обеспечивает минимальный уровень генерируемых помех и хорошие показатели ЭМС.
• высокие динамические характеристики встроенных диодов, которые значительно превосходят показатели встроенных диодов MOSFET, благодаря чему при переключениях генерируются меньшие импульсы тока. Это является большим плюсом для приложений, в которых обратный диод является обязательным элементом схемы.

Поскольку корпусные исполнения и назначение выводов у MOSFET и IGBT совпадает, то при их замене друг на друга никаких механических изменений или модификаций печатной платы не требуется.

Требования к управлению затворами IGBT и МОП-транзисторов в значительной степени совпадают. В большинстве случаев для нормального включения будет достаточно 12…15 В, а при выключении можно обойтись без отрицательных запирающих напряжений. Так как входная емкость у IGBT меньше, чем у MOSFET, то чтобы избежать звона, в ряде схем может потребоваться увеличение сопротивления резистора в цепи затвора.

Рекомендации по параллельному включению IGBT

При параллельном включении нескольких IGBT удается уменьшить потери проводимости и снизить тепловое сопротивление. В то же время потери при переключениях, наоборот, увеличиваются. Таким образом, если основной вклад в общие потери вносит динамическая составляющая, то использование параллельного включения позволит улучшить только тепловые характеристики.

Параллельное включение МОП-транзисторов можно выполнить без особых проблем из-за положительного температурного коэффициента их потерь проводимости, в то время как потери на переключения для MOSFET в значительной степени не зависят от температуры. У IGBT наблюдается обратная картина – потери проводимости слабо зависят от температуры, зато потери на переключение имеют значительный положительный температурный коэффициент. По этой причине использование параллельного включения IGBT оказывается не таким простым, как для МОП-транзисторов.

Вопросы параллельного включения МОП-транзисторов были подробно рассмотрены в руководстве AN-941 от Infineon/International Rectifier. Большинство выводов, сделанных в AN-941, справедливы и для IGBT. При необходимости читатель может ознакомиться с ними самостоятельно. Далее будут рассмотрены только те вопросы, которые характерны для IGBT.

Напряжение насыщения V_CE(on) в IGBT слабо зависит от тока и температуры, в то время как для МОП-транзисторов падение напряжения на открытом канале сильно зависит от обоих параметров. Когда два IGBT работают параллельно, напряжение V_CE(on) для обоих транзисторов будет одинаковым в «принудительном» порядке. Таким образом, при заданной нагрузке через один IGBT может протекать больше тока, чем через другой. Эта разбалансировка для малых значений токов очень часто оказывается достаточно значительной и достигает 75…100%. Само по себе неравномерное распределение токов не является чем-то критическим, однако это оказывает значительное влияние на перегрев и потери на переключения. Рассмотрим эти вопросы подробнее.

Температура перехода: Поскольку падение напряжения одинаково для обоих IGBT, то транзистор, через который протекает больше тока, рассеивает большую мощность и имеет больший перегрев кристалла. Это смягчается тремя факторами:

1. Обширные испытания показали, что неравномерное распределение нагрузки имеет тенденцию к уменьшению по мере увеличения тока. Это связано с тем, что разница в напряжениях насыщения сокращается с ростом тока. Таким образом, значительная разбалансировка при малых токах оказывается не такой значительной при больших токах.
2. Обеспечение хорошей тепловой связи между кристаллами транзисторов гарантирует, что, несмотря на значительный дисбаланс токов, температурный перепад будет находиться в пределах нескольких градусов.
3. Существуют IGBT с небольшим положительным температурным коэффициентом. Они становятся оптимальным выбором, если требуется параллельное включение транзисторов.

Потери коммутация при рассогласовании токов: вполне очевидно, что IGBT, который проводит больше тока, переключается также при большем токе. Следовательно, на него будет приходиться не только большая часть потерь проводимости, но большая часть динамических потерь на переключения.

Казалось бы, существует лавинообразный процесс, который должен привести к тому, что из-за более высоких потерь температура перегруженного IGBT превысит допустимое значение. Однако аналитический и экспериментальный анализ показал, что с увеличением тока дисбаланс между транзисторами уменьшается, а отличие температур сокращается до нескольких градусов. Это, как было сказано выше, связано с выравниванием напряжений насыщения при увеличении токовой нагрузки.

Стоит отметить, что наиболее эффективным методом борьбы с неравномерным распределением токов при параллельном включении является отбор транзисторов. Еще одной важной причиной разбалансировки являются различия в пороговых напряжениях, что особенно заметно у trench-IGBT. Таким образом, подбор транзисторов с согласованными значениями V_CE(on) и V_GS(th) является эффективным способом защиты от неравномерного распределения токов.

В дополнение к совету, озвученному в предыдущем абзаце, рекомендуется следовать рекомендациям, упомянутым в руководстве AN-941:

• Используйте отдельные резисторы затвора для устранения риска паразитных колебаний.
• Убедитесь, что транзисторы, включенные параллельно, имеют сильную тепловую связь.
• Выравнивайте значения общей индуктивности эмиттера и уменьшайте ее до величины, которая не оказывает большого влияния на общие потери коммутации на заданной частоте.
• Минимизируйте индуктивность рассеяния до значения, которое обеспечивает допустимое значение выбросов напряжения при максимальном рабочем токе.
• Убедитесь, что схема управления имеет минимальное собственное сопротивление.
• Защитные стабилитроны в цепи затвора могут вызывать колебания. Если без них не обойтись, то следует размещать их между выходом драйвера и резистором затвора.
• Помните, что конденсаторы в цепи затвора замедляют коммутацию, тем самым увеличивая рассогласование между устройствами, а также могут вызывать колебания.
• Паразитные составляющие должны быть минимизированы. Проводящий рисунок и электрические соединения должны быть максимально симметричными для всех транзисторов.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

IGBT силовые транзисторы International Rectifier шестого поколения

Известно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) обладают преимуществами легкого управления полевыми МОП-транзисторами и низкими потерями проводимости, характерными для биполярных транзисторов. На рис. 1 показана эквивалентная схема IGBT-транзистора.

Рис. 1. IGBT можно представить как комбинацию биполярного p_n_p транзистора и MOSFET

Традиционно IGBT используют в тех случаях, где необходимо работать с высокими токами и напряжениями. IGBT-транзисторы в настоящее время выпускают десятки производителей. Среди них — Infineon Technologies, Semikron, International Rectifier, Fairchild Semiconductor, Toshiba, Hitachi, MITSUBISHI, FUJI, IXYS, Power Integration, Dynex Semiconductor и другие.

В конце 1980-х годов было создано первое поколение IGBT-транзисторов, а уже в начале 1990-х появились второе и третье. Прогресс в технологии IGBT шел по линии увеличения рабочих напряжений и токов, а также повышения эффективности преобразования за счет снижения потерь мощности на кристалле как в статическом, так и в динамическом режимах. Происходило и удешевление приборов. К настоящему времени и для серийного производства уже используются технологии четвертого, пятого и шестого поколений IGBT-транзисторов. Следует отметить, что нумерация поколений достаточно условна и у разных фирм может отличаться.

 

Развитие технологии IGBT-транзисторов фирмой IR

Компания International Rectifier является признанным лидером в разработке и производстве высококачественных силовых полупроводниковых приборов. Диапазон продукции IR достаточно широк и объединяет в себе различные направления. Это и дискретные устройства (биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), мощные полевые транзисторы (MOSFET) и модульные сборки на основе кристаллов дискретных элементов, а также ИМС для управления энергосберегающими источниками света, силовые ИМС для электронных балластов люминесцентных ламп и ламп высокого давления, микросхемы драйверов IGBT и MOSFET, включая высоковольтные микросхемы HVIC, продукты на базе интегрированной платформы IMotion и цифровые контроллеры для управления электроприводом, продукты платформы SupIRBuck, микроэлектронные твердотельные реле. В настоящий момент фирма выпускает широкую номенклатуру IGBT, для производства которых используются технологии 4-го (4 PT IGBT), 5-го (5 Non-PT IGBT) и 6-го поколений (DS Trench IGBT). Для первых двух технологий в полевом транзисторе используется планарный затвор, а в последнем (DS Trench) — вертикальный. Собственно, структуры приборов для данных технологий разработаны уже давно и используются производителями на протяжении многих лет. Все дело в нюансах, которые дают возможность производителю реализовать те или иные преимущества технологии. И цена производства кристалла имеет не последнее значение. На рис. 2 показана эволюция технологии IGBT-транзисторов фирмы IR.

Рис. 2. Эволюция технологии IGBT-транзисторов в IR

Новые транзисторы оптимизированы для работы на частотах переключения до 20 кГц, и для снижения энергии потерь на проводимости и переключении в них использована Trench-технология. Эти IGBT с антипараллельным ультрабыстрым диодом имеют энергию переключения ETS и более низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер V_CE(on), чем IGBT PT и NPT типа. Кроме того, ультрабыстрый диод с мягким восстановлением дополнительно повышает эффективность преобразования и снижает уровень генерируемых помех.

 

Технология с вертикальным затвором

Для данного типа технологии затвор полевого транзистора сформирован в виде глубокой канавки (trench gate) на подложке (рис. 2). При изготовлении Trench-FS (Field Stop) транзисторов используется буферный n+ слой в основании подложки. В сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера структура затвора позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки и уменьшить напряжение насыщения транзисторов Trench-FS на 30% по сравнению с транзисторами, созданными по технологии NPT. Уменьшается почти на 70% и площадь кристалла, обеспечивается большая плотность тока транзистора.

Технология Trench немного сложнее и дороже, чем NPT. Однако уменьшение размера кристалла Trench-FS снижает его удельную себестоимость, что в итоге позволяет уравнять цены на готовую продукцию по отношению к аналогичным приборам, производимым по другим технологиям. Кроме того, благодаря снижению энергии потерь, при равноценной площади кристалла существенно возрастает ток транзистора (до 60%).

У вертикального затвора, в отличие от пла-нарного, отсутствуют горизонтальные пути протекания тока. Ток течет к коллектору по кратчайшему пути, что обеспечивает снижение потерь на проводимость. Trench IGBT имеют самый низкий уровень статических и динамических потерь среди IGBT, производимых компанией. У новых Trench IGBT благодаря уменьшению длины «хвоста» обеспечивается более плавная траектория переключения, чем у NPT IGBT. «Хвостом» (tail current) называется остаточный ток коллектора биполярного транзистора IGBT, возникающий из-за рассасывания носителей в области базы после запирания транзистора. Благодаря этому энергия выключения стала на 10-20% ниже, чем у NPT IGBT.

 

Линейка 600 В IGBT-транзисторов Trench 6-го поколения

Семейство 600-вольтовых Trench IGBT в первую очередь ориентировано на использование в UPS-источниках и преобразователях солнечной энергии мощностью до 3 кВт. Силовые приборы этого семейства могут также служить эффективной заменой аналогичных IGBT-транзисторов в системах управления приводом компрессоров в холодильниках, индукционных системах нагрева, а также в приводах мощных вентиляторов. Приборы позволяют на 30% снизить мощность рассеивания по сравнению с IGBT других типов. Компания разработала линейку из 8 приборов в корпусах TO-220TO-247, с рабочим напряжением 600 В и токами 4-48 А.

Для всех типов данных транзисторов используются кристаллы толщиной 70 мкм. Гарантированное время выдержки режима короткого замыкания — не менее 5 мкс для всех типов линейки.

Все корпусированные приборы выполнены по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипараллельный ультрабыстрый диод). Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры 600 В IGBT-транзисторов 6-го поколения Trench

Тип транзистора	Корпус	Imax (25 °С), A	Imax (100 °C), A	Vce (175 °C), В	Ets (175 °C), мкДж	Rth(j-c), °C/Вт	Мощность, кВт
IRGC4059B IRGB4059D	б/корп. ТО-220	8	4	2,2	210	2,7	0,8
IRGC4045B IRGB4045D		12	6	2,14	329	1,94	1,0
IRGC4060B IRGB4060D		16	8	1,95	405	1,51	1,2
IRGC4064B IRGB4064D		20	10	2,00	415	1,49	1,3
IRGC4056B IRGB4056D		24	12	1,97	540	1,07	1,5
IRGC4061B IRGB4061D		36	18	2,5	855	0,73	2,0
IRGC4062B IRGB4062D IRGP4062D	б/корп. ТО-220 TO-247	48	24	2,04	1260	0,6	2,5
IRGC4063B IRGB4063D	б/корп. ТО-220	96	48	2,10	3210	0,45	4,0

 

Система обозначений для IGBT-транзисторов Trench

Для ранее разработанных IGBT-транзисторов использовалась следующая система обозначений (рис. 3).

Рис. 3. Первая система обозначений для транзисторов IGBT IR

В данной системе обозначений присутствует суффикс, определяющий подкласс по быстродействию прибора (таблица 2).

Таблица 2. Классификация транзисторов IGBT IR по быстродействию

Параметры/подкласс	Standard	Fast	Ultrafast
Vce, В	1,3	1,5	1,9
Энергия переключения, мДж/A·мм2	0,54	0,16	0,055
Потери проводимости, Вт (при 50% постоянного тока)	0,625	0,75	0,95

В процессе разработки новых приборов возникла необходимость введения добавочных суффиксов, определяющих дополнительные параметры транзисторов, поэтому система обозначений была изменена (рис. 4). Эта система, в частности, использовалась для маркировки 600 В Trench IGBT.

Рис. 4. Система обозначений для 600 В Trench IGBTтранзисторов

После разработки технологии 1200 В Trench IGBT (Gen 6.3+) фирма ввела новую систему обозначений для новых IGBT-транзисторов 4-го и 6-го поколений, которая показана на рис. 5. Для ранее разработанных 600 В транзисторов пока сохраняется маркировка, приведенная на рис. 4.

Рис. 5. Система обозначений для поколения Gen 6.3+

 

 

Преимущества транзисторов по технологии Trench

Напряжение в открытом состоянии U_ce на 30% ниже аналогичного параметра для транзисторов 4-го и 5-го поколений и обеспечивает меньше рассеяние энергии на кристалле и нагрев, повышается эффективность преобразования энергии. Меньшая емкость затвора обеспечивает большее быстродействие, упрощает управление транзистором и снижает уровень динамических потерь.

Квадратная (Square) форма зоны допустимых режимов безопасной работы обеспечивает большую надежность прибора при работе с критическими токами и напряжениями. Незначительный остаточный ток выключения и малые потери выключения (E_OFF) позволяют транзисторам работать на более высоких частотах. На рис. 6 показаны сравнительные характеристики допустимой рассеиваемой мощности на кристалле для транзисторов Trench и IGBT-транзисторов с планарным затвором.

Рис. 6. Зависимость рассеиваемой мощности от среднеквадратичного выходного тока

Более высокая допустимая температура кристалла (175 °С) обеспечивает расширение диапазона рабочих температур и повышает надежность прибора. Температура радиатора при аналогичных режимах работы у транзистора Trench будет ниже. Меньшие размеры корпуса транзисторов Trench в сочетании с сокращением размеров радиатора позволяют ужать печатную плату.

Параметры транзисторов 6-го поколения обеспечивают более эффективное преобразование энергии и могут быть рекомендованы в качестве замены транзисторов 4-го и 5-го поколений соответствующей мощности, а также аналогичных транзисторов других производителей.

Технология с вертикальным затвором стала разрабатываться компанией International Rectifier уже тогда, когда на рынке получили широкое распространение Trench IGBT других производителей, в том числе и ведущих в данном секторе фирм — Infineon и Toshiba. Поэтому в процессе разработки линейки нового поколения IGBT-транзисторов перед специалистами IR стояла сложная задача достижения высоких параметров в сочетании с низкой ценой, что позволило бы обеспечить конкурентоспособность продукции на рынке.

Таблица 3. Рекомендуемая замена транзисторов 4-го и 5-го поколений на транзисторы Trench

Ic (Tc=100 °C, Vge = 15 В), А	Trench IGBT 6Gen	NPT IGBT 5Gen	PT IGBT 4Gen
4	IRGB4059D-PBF	IRGB4B60KD1	IRG4BC10SD IRG4BC15MD
	TO-220	IRGB4B60KD	IRG4BC15UD IRG4BC10KD
6	IRGB4045D-PBF	IRGB8B60KD	IRG4BC20SD IRG4BC20FD IRG4BC20MD IRG4BC20UD IRG4BC20KD
	TO-220
8	IRGB4060D-PBF
	TO-220
10	IRGB4064D-PBF TO-220	IRGB10B60KD IRGB15B60KD IRGP20B60PD	IRG4BC30SD IRG4BC30FD IRG4BC30MD IRG4BC30UD IRG4BC30KD IRG4PC40UD IRG4PC40W
12	IRGB4056D-PBF TO-220
18	IRGB4061D-PBF TO-220
24	IRGB4062D-PBF TO-220	IRGP35B60PD	IRG4PC40UD IRG4PC50UD IRG4PC50W IRG4PC40WD
48	IRGB4063D-PBF TO-220	IRGP35B60PD IRGP50B60PD	IRG4PC50UD IRG4PC60

 

Сравнение параметров IGBT-транзисторов 6-го поколения IR с аналогичными Trench IGBT-транзисторами Infineon и Toshiba показало, что по комплексу качеств они не уступают конкурентам, а по отдельным характеристикам даже превосходят их.

Однако следует признать тот факт, что по некоторым параметрам IGBT-транзисторы Infineon сохранили превосходство над транзисторами IR. Проверка по методике International Rectifier показала, что напряжение U_ce в открытом состоянии для отдельных типов транзисторов Trench IGBT фирмы Infineon меньше на 30%, чем у аналогичных по мощности транзисторов IR. Быстродействие транзисторов IR оказалось немного хуже, чем у транзисторов Infineon, но намного лучше, чем у Trench IGBT фирмы Toshiba.

Таблица 4. Сравнение ключевых параметров IGBT-транзисторов по технологии Trench от разных производителей

	FGA25N120FTD Fairchild	IKW25N120T2 Infineon	IRG7Ph52UDPBF IR
Technology	FS Trench
Vce(on) (10 A), В	1,5	1,5	1,40
Vce(on) (20 A), В	1,8	1,8	1,75
Eoff (10 A, 600 В), мкДж	700	800	550
Eoff (20 A, 600 В), мкДж	1150	1700	950
Rth(j-c), °C/Вт	0,4	0,43	0,38

В настоящее время фирма Infineon является лидером в разработке IGBT-технологий, и проигрыш International Rectifier носит скорее временный характер. В планах разработчиков в ближайшее время достичь уровня Uсе и обеспечить быстродействие не хуже, чем у Infineon. В таблице 5 приведены аналоги транзисторов IR и Infineon для выбора альтернативной замены.

Таблица 5. Аналоги транзисторов Infineon и IR

Транзисторы Infineon	Транзисторы IR	Близость аналогов	Корпус
SKP04N60, IKP04N60T	IRGB4059TRPPBF	Прямая замена	ТО-220
SKP06N60, IKP06N60T	IRGB4045TRPPBF	Прямая замена	ТО-220
IKA10N60T	IRGB4060TRPPBF	–	ТО-220
SKP10N60, IKA10N60T	IRGB4064TRPPBF	Близкая замена	ТО-220
IKW50N60	IRGB4063TRPPBF	Близкая замена	ТО-247

 

1200-вольтовые Trench IGBT

Первые члены этого модельного ряда транзисторов были представлены на рынке в начале 2009 г. В таблице 6 приведены параметры линейки IGBT-транзисторов IR с рабочим напряжением 1200 В.

Таблица 6. Параметры транзисторов 1200 В IGBT по технологии Trench-FS

Тип	Vce(on), В	Ic (100 °C), А	Tsc, мкс	Частота, КГц	Исполнение Co-Pack/Single switch	Корпус
IRG7Ph40K10D	2,2	10	10	4–20	Встроенный диод	TO-247
IRG7Ph40K10	2,2	10	10	4–20	Только ключ	TO-247
IRG7PSH73K10	2,2	90	10		Только ключ	TO-247
IRG7Ph45UD	1,9	20	0		Встроенный диод	TO-247
IRG7Ph52UD	1,8	30	0	5–40	Встроенный диод	TO-247
IRG7Ph56UD	1,8	40	0		Встроенный диод	TO-247
IRG7PSH50UD	1,8	50	0		Встроенный диод	Super TO-247

 

Области применения 600 и 1200 В IGBT-транзисторов 6-го поколения

Применение Trench IGBT-транзисторов позволяет повысить эффективность работы силовых модулей в различных приложениях. Области применения Trench IGBT:

• АС/DC, DC/AC-преобразователи;
• инверторы солнечных батарей;
• системы индукционного нагрева;
• преобразователи напряжений в гибридных автомобилях;
• электропривод в стиральных машинах;
• электронный балласт в модуле управления ксеноновым светом автомобильных фар;
• управление компрессором холодильника;
• формирователь высокого напряжения в микроволновых печах;
• электропривод компрессоров кондиционера;
• инверторы сварочных аппаратов.

В таблице 7 приведены требования, предъявляемые к параметрам IGBT-транзисторов для различных приложений.

Таблица 7. Требования к параметрам IGBT-транзисторов для различных секторов применения

Область применения	Сектора	Напряжение питания, В	Напряжение в преобразователях Sw, В	Частота, КГц	Низкое Vce	Малые дин. потери Ets	Tsc, мкс	Поколение IGBT
Электроприводы	Промышленный сектор	240	600	4–16			10	5; 6.2; 6.2i
		480	1200				10	5; 6.7K
	Бытовой сектор	110	330	3	да		2	6
		230	600					6. 2; 6.8; 4F
	Гибридные автомобили	240	600	20	да		6
		480	1200				6	6.8
Корректоры мощности (PFC)			600	20, 40, 80		да	–	5W; 6.2
			900	20, 40		да	–	4W; 6.7U
Источники бесперебойного питания (UPS)		230	600				–	6. 2
		480	900				–	6.7U
Сварочные инверторы			600	20		да	–	5; 6.2
			600	100	да		–	4S
			1200	20		да	–	5; 6.7U
			1200	100	да		–	4S
Инверторы солнечных батарей			600	20		да	–	5, 6. 2
			600	50/60	да		–	4S
			1200	20		да	–	5; 6.7
			1200	50/60	да		–	4S
Индукционный нагрев			600	>20	да		–	6.2
			1200	>20	да		–	6.7U
Драйверы плазменных панелей			330	>20	да	да	–	6. 0; 6.5
			600	>20	да	да	–	6.5
Управление освещением	Электронный балласт для ксенонового автосвета	12	600	<400	да		–	4S; 6.8S
Источники питания	Мостового типа	400	600	>20		да	–	5; 6.2
		800	1200	>20		да	–	5; 6.3

Ниже будут более подробно рассмотрены примеры использования Trench IGBT, обеспечивающие эффективность готового устройства.

Инвертор 220 В для солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи нашли активное применение как источник электроэнергии, объемы их продаж год от года неуклонно растут. Солнечные батареи образованы из модулей солнечных фотоэлементов, обеспечивающих напряжение от 12 до 100 В и рабочие токи до нескольких десятков ампер. В промышленных применениях (например, опреснители морской воды) используются солнечные батареи с выходным напряжением от 24 до 100 В и мощностью в несколько киловатт. Схема преобразования солнечной энергии такова: солнечная батарея—буферный аккумулятор—инвертор (DC/AC-конвертор) 220/380 В—промышленная установка, питающаяся от сети 220/380 В. На рис. 7 показана структура DC/AC-инвертора для солнечных батарей.

Рис. 7. Структура инвертора для питания от солнечных батарей

А на рис. 8 приведен конкретный пример реализации инвертора мощностью 500 Вт с использованием силовых элементов IR, в том числе и Trench IGBT-транзисторов 6-го поколения, обеспечивающих более высокую эффективность преобразования солнечной энергии.

Рис. 8. Инвертор для солнечной батареи мощностью 500 Вт

В схеме используются микросхемы и дискретные транзисторы IR:

• 600 В Trench IGBT-транзистор IRGB4056DPBF;
• 100 В DirectFET транзисторы, IRF6644;
• генератор для управления мостовой схемой IR2086S;
• 600 В микросхема полумостового драйвера IRS2184S.

Для синтеза 50 Гц используется частота ШИМ 20 кГц.

На рис. 9 показана демо-плата инвертора, собранного по данной схеме. Размер платы около 100×40 мм.

Рис. 9. Демо-плата 500 Вт 220 В инвертора для солнечной батареи

Управление электроприводом

На рис. 10 показана типовая схема управления асинхронным электродвигателем. Модуль управления может быть использован в стиральных машинах, компрессорах холодильников или кондиционеров. В качестве силовых ключей в схеме используются Trench IGBT-транзисторы.

Рис 10. Типовая схема интеллектуального привода для асинхронного двигателя мощностью от 250 Вт до 2 кВт

Драйверы плазменных матричных панелей

Для управления поджигом и гашением разряда в пикселях матричной плазменной панели требуется формирование высоковольтных сигналов сложной формы. IGBT-транзисторы идеально подходят в качестве ключевых элементов для реализации гибридных многовыходных драйверов в плазменной панели. Матричная система пикселей плазменной панели с точки зрения управления представляет собой емкостную нагрузку. Ключевые приборы для таких устройств должны быстро включаться, обеспечивать высокие импульсные токи и иметь низкое падение напряжения в открытом состоянии.

На рис. 11 показана структура плазменной панели.

Рис. 11. Структура плазменной панели

На рис. 12 показана схема управления пикселем плазменной панели.

Рис. 12. Схема управления одним пикселем в плазменной панели на базе IGBT-ключей

Схема обеспечивает синтез сигналов сложной формы с большим диапазоном напряжений (от -150 до +400 В) и импульсных токов.

 

Заключение

В первую очередь транзисторы Trench IGBT могут использоваться в качестве альтернативной замены аналогичных приборов, ранее разработанных компанией International Rectifier, обеспечивая увеличение эффективности преобразования энергии и снижение цены готового устройства.

Транзисторы Trench IGBT могут с успехом заменять все равноценные по мощности типы транзисторов 4-го и 5-го поколений IGBT, если только значение параметра SCSOA спецификации — 5 uS окажется приемлемым для данных применений. Во всех случаях при замене будет обеспечена лучшая эффективность преобразования, а также большая плотность мощности. Транзисторы 6-го поколения IGBT IR могут использоваться и в качестве недорогой альтернативы аналогичным приборам, выпускаемым другими производителями. Поколение Trench IGBT позволяет сбалансировать потери на переключениях и проводимости и использовать биполярные транзисторы с изолированным затвором в области высоких частот вместо полевых МОП-транзисторов, одновременно обеспечивая высокий КПД. Преимущества IGBT-транзисторов 6-го поколения позволят им потеснить, а по мере совершенствования технологии IGBT и вовсе заменить полевые МОП-транзисторы в импульсных источниках питания.

Литература

1. Транзисторы Trench IGBT шестого поколения. Башкиров В. // Новости электроники. 2007. № 7.
2. Силовые IGBT-модули Infineon Technologies. Анатолий Б. // Силовая электроника. 2008. № 2.
3. IGBT или MOSFET? Проблема выбора. Евгений Д. // Электронные компоненты. 2000. № 1.
4. Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением. Александр П. // Современная электроника. 2004. № 4.
5. Транзисторы IGBT. Новинки от компании International Rectifier. Волошанская Е. // Электроника: НТБ. 2005. № 5.
6. AC TIG Welding: Output Inverter Design Basics. Roccaro A., Filippo R., Salato M. Application Notes AN-1045
7. IGBT Characteristics. Application Note AN-983.

IGBT транзисторы. Справочник. Характеристики и параметры.

Отечественные производители IGBT (БТИЗ) транзисторов IGBT справочник составлен из транзисторов, входящих в прайсы интернет-магазинов. Кроме того, приведены близкие по параметрам MOSFET транзисторы, которые могут составить конкуренцию IGBT (а где-то и лучше, если главным параметром становится быстродействие). IGBT транзисторы на напряжение до 600В   IGBT транзисторы на напряжение до 1200В   IGBT транзисторы частотой 1-5 кГц   IGBT транзисторы с максимальной частотой до 20кГц   Высокочастотные IGBT транзисторы   IGBT транзисторы Без диода   CoPack IGBT транзисторы С диодом   Показать все
Основные характеристики IGBT.
IGBT	MOSFET	PDF	Imax, A/ Uce(on),В	Корпус	Примечание
Указан максимальный допустимый постоянный ток при Ткорп=100ºС и типичное падение напряжения при этом токе и Тj=150ºС
1. IGBT транзисторы на напряжение до 600В
IRG4IBC20UD			6.0/1.87	ТО-220F	UFAST, диод, изолир корп	справочные данные на IGBT транзистор в изолированном корпусе IRG4IBC20UD
IRG4IBC20KD			6.3/2.05	ТО-220F	FAST,диод,КЗ уст, изолир крп
IRG4BC20UD	IRF840		6.5/1.87	ТО-220	UFAST, диод	IGBT и MOSFET транзисторы, аналогичные по характеристикам
IRG4BC20W			6.5/2.05	ТО-220	FAST	ультрабыстрый IGBT транзистор IRG4BC20W, справочные данные
IRG4BC15UD	SPP11N60		7.8/2.21	ТО-220	UFAST, диод	IGBT и MOSFET транзисторы
IRG4IBC30UD	SPP17N80		8. 9/1.90	ТО-220F	UFAST, диод, изолир корп	IGBT и MOSFET транзисторы, близкие по характеристикам
IRG4BC30W-S			12/1.95	D2pak	UFAST	IGBT транзистор IRG4BC30W для корректоров мощности, справочные данные
IRGS10B60KD			12/2.20	D2pak	диод, КЗ уст	IGBT транзистор с диодом IRGS10B60KD, характеристики
IRG4RC20F			12/2.04	D2pak		IGBT транзистор для поверхностного монтажа IRG4RC20F
IRG4BC30U IRG4PC30U			12/2.09	ТО-220 TO-247	UFAST	ультрабыстрые IGBT транзисторы IRG4BC30U и IRG4PC30U,, справочные данные
HGTP12N60C3			12/1.85	ТО-220	КЗ уст	IGBT транзистор HGTP12N60C3, справочные данные
HGTP12N60C3D			12/1. 85	ТО-220	диод, КЗ уст	IGBT транзистор с антипараллельным диодом HGTP12N60C3, справочные данные
IRG4BC30W IRG4PC30W	SPP20N60 SPW20N60		12/1.95	TO-220 ТО-247	UFAST	IGBT транзисторы для корректоров мощности IRG4PC30W и близкие по характеристикам MOSFET транзисторы
IRG4BC30UD IRG4PC30UD	BUZ30A IRFP460		12/2.09	TO-220 ТО-247	UFAST, диод	ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом IRG4PC30UD, характеристики и близкие MOSFET аналоги
HGTG12N60B3			12/1.70	ТО-247	FAST	HGTG12N60B3 — ультрабыстрый IGBT транзистор, характеристики
HGTG12N60C3D			12/1.85	ТО-247	диод, КЗ уст	HGTG12N60C3 — IGBT транзистор с диодом, параметры
SKP15N60	IRFP360 IRFP22N60		15/2. 30	ТО-220	UFAST,диод,КЗ уст	SKP15N60 — ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом в корпусе TO-220, характеристики и близкие MOSFET аналоги
IRG4BC30K-S IRG4BC30K			16/2.36	D2Pak TO-220	FAST,КЗ уст	IRG4BC30K-S и IRG4BC30K — IGBT транзисторы, оптимизированные под управление электродвигателями
IRG4BC30KD-S IRG4BC30KD IRG4PC30KD	IRFP27N60		16/2.36	D2Pak TO-220 TO-247	FAST,диод,КЗ уст	ультрабыстрые IGBT транзисторы IRG4BC30KD-S, IRG4BC30KD, IRG4PC30KD, справочные данные, MOSFET транзистор IRFP27N60
IRG4BC30FD-S IRG4PC30FD			17/1.70	D2Pak TO-247	+ диод	IGBT транзисторы IRG4BC30FD и IRG4PC30FD с низким падением напряжения, справочные данные
IRG4BC30F			17/1. 70	ТО-220		IGBT транзистор IRG4BC30F с низки падением напряжения
IRG4PC30S			18/1.45	ТО-247		IGBT транзистор IRG4PC30S с низким падением напряжения
IRGS8B60K			19/2.70	D2pak	КЗ уст	IGBT транзистор IRGS8B60K, справочные данные
IRG4BC40U IRG4PC40U	IRFP27N60		20/1.70	ТО-220 TO-247	UFAST	характеристики IGBT транзисторов IRG4BC40U и IRG4PC40U, MOSFET транзистор IRFP27N60 с аналогичными параметрами
IRG4PC40UD	IRFP31N50 IRFP27N60		20/1.70	ТО-247	UFAST, диод	IGBT и MOSFET транзисторы, близкие по характеристикам
IRG4BC40W IRG4PC40W			20/1. 90	ТО-220 TO-247	UFAST	IGBT транзисторы для PFC IRG4BC40W и IRG4PC40W
HGTG20N60B3			20/2.10	ТО-247	FAST, КЗ уст	ультрабыстрый IGBT транзистор HGTG20N60B3, характеристики
HGTG20N60B3D			20/2.10	ТО-247	FAST,диод,КЗ уст	IGBT с антипараллельным диодом HGTG20N60B3D, справочные данные
IRGB20B60PD1 IRGB20B60PD			22/3.30	ТО-20 TO-247	UFAST, диод	ультрабыстрый IGBT транзистор IRGB20B60PD с диодом
IRGP4062D	IRFPS40N60		24/2.03	ТО247	UFAST,диод,КЗ уст	ультрабыстрый IGBT и MOSFET транзисторы IRGB20B60PD и IRFPS40N60, характеристики
IRG4PC40K			25/2.14	ТО-247	FAST, КЗ уст	быстрый IGBT транзистор IRG4PC40K на ток до 25А
IRG4PC40KD			25/2. 14	ТО-27	FAST, диод, КЗ уст	IGBT с диодом IRG4PC40KD
IRG4BC40F IRG4PC40F			27/1.6	ТО-220 TO-247		IGBT с низким падением напряжения IRG4PC40F, среднечастотного диапазона
IRG4PC40FD			27/.56	ТО-247	+диод
IRG4PC50UD	IRFPS40N50		27/1.60	ТО-247	UFAST, диод	ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом IRG4PC50UD, справочные данные
IRG4PC50W			27/1.71	ТО-247	UFAST	IGBT и MOSFET транзисторы IRG4PC50W и IRFPS40N50, справочные данные
SGP30N60			30/2.50	ТO-220	FAST, КЗ уст	IGBT транзистор SGP30N60, устойчивый к короткому замыканию
SGW30N60			30/2. 50	ТО-247	FAST, КЗ уст	IGBT транзистор SGW30N60, характеристики и параметры
IRG4PC50K			30/1.84	ТО-247	FAST, КЗ уст.	igbt IRG4PC50K на ток до 30А
IRG4PC50KD			30/1.84	ТО-247	FAST,диод,КЗ уст.	igbt транзистор IRG4PC50KD с диодом, на ток до 30А
IRGP35B60PD			34/3.00	ТО-247	UFAST, диод	ультрабыстрый igbt с диодом IRGP35B60PD, характеристики
IRG4PC50F			39/1.53	ТО-247		мощный медленный, но зато с низким падением напряжения igbt IRG4PC50F
IRG4PC50FD			39/1.53	ТО-247	+диод	мощный igbt транзистор с диодом IRG4PC50FD
HGTG40N60B3	IPW60R045		40/1. 50	ТО-247	FAST, КЗ уст	Ультрабыстрые IGBT транзисторы HGTG40N60B3, справочные данные
IRG4PC50S			41/1.28	ТО-247		мощные IGBT транзисторы IRG4PC50S, параметры
IRGP50B60PD1			45/3.10	ТО-247	UFAST,диод	мощный ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом IRGP50B60PD, характеристики
IRGP4063D			48/2.05	ТО-247	UFAST,диод,КЗ уст	мощный IGBT IRGP4063D — транзистор, устойчивый к короткому замыканию
IRGP4068D			48/2.05	ТО-247	UFAST,диод,КЗ уст	мощный IGBT транзистор, устойчивый к короткому замыканию IRGP4068D
IRGS30B60K IRGB30B60K			50/2.60	D2pak ТО-220	КЗ уст.	мощные IGBT транзисторы IRGS30B60K и IRGB30B60K
SGW50N60			50/3.15	ТО-247	FAST, КЗ уст	мощный быстрый IGBT транзистор SGW50N60, устойчивый к короткому замыканию
IRG4PSC71K			60/1.81	S-247	FAST,КЗ уст	мощный быстрый IGBT транзистор IRG4PSC71K, устойчивый к короткому замыканию
IRG4PSC71KD			60/1.81	S-247	FAST,диод,КЗ уст	мощный быстрый IGBT транзистор IRG4PSC71KD, с диодом, устойчивый к короткому замыканию
IRG4PSC71U			60/1.71	S-247	UFAST	мощный ультрабыстрый IGBT транзистор IRG4PSC71U
IRG4PSC71UD	IRFP4668		60/1.71	S-247	UFAST, диод	мощный ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом IRG4PSC71UD и MOSFET транзистор IRFP4668
IXGH60N60C2			60/1. 80	TO-247	UFAST	мощный ультрабыстрый IGBT транзистор IXGH60N60C2 и близкий по току MOSFET
2. IGBT транзисторы на напряжение до 1200В
SGP02N120			2.8/3.70	ТО-220	FAST, КЗ уст	igbt 1200v, 2.8A
IRG4Ph30K	IRFPG50		5.0/2.84	О-247	КЗ уст	igbt на ток до 5А
IRG4Bh30K-S			5.0/2.84	2Pak	КЗ уст	igbt на напряжение до 1200В
SGP07N120			8.0/3.70	ТО-220	FAST, КЗ уст	ультрабыстрый igbt, напряжение до 1200В
IRG4Ph40K			10/3.01	ТО-247	FAST, КЗ уст	ультрабыстрый igbt транзистор, напряжение до 1200В
IRG4Ph40KD			10/3. 01	ТО-247	FAST, диод,КЗ уст	ультрабыстрый igbt с диодом, ток до 10А
IRG4Ph50KD			15/2.53	ТО-247	FAST, диод,КЗ уст	igbt с диодом, ток до 15А
BUP203			15/4.00	ТО-220	FAST, 1000В	IGBT транзистор BUP203, характеристики
SKW15N120			15/3.70	ТО-247	FAST,диод,КЗ уст	igbt с диодом, ток до 10А
IRG7Ph40K10D			16/2.60	ТО-247	FAST,диод,КЗ уст.	ультрабыстрый IGBT транзистор IRG7Ph40K10D, справочные данные
BUP314S			17/4.60	ТО-21	FAST	igbt, ток до 17А
IRGPh50F			17/3.00	ТО247		транзистор igbt, напряжение до 1200В
BUP213			20/3. 60	ТО-220	FAST	транзистор igbt, ток до 20А
IRGP20B120U-E			20/3.89	ТО-247	UFAST, КЗ ст.	транзистор igbt, напряжение до 1200В
IRGP20B120UD-E			20/3.89	ТО-247	UFAST,диод,КЗ ут.	транзистор igbt, ток до 20А
IRG4Ph50U			21/2.47	ТО-247	UFAST	транзистор igbt, ток до 21А
IRG4Ph50UD			21/2.47	ТО-247	UFAST, диод	высоковольтный транзистор igbt, ток до 21А
IRG7Ph40K10	IPW90R120		23/4.00	ТО-247	КЗ уст.	IGBT транзистор IRG7Ph40K10, подробные характеристики
IRG4PH50KD			24/2.54	ТО-247	FAST, диод,КЗ ус
IRG4PH50U			24/2. 54	ТО-247	UFAST
IRG4PH50UD			24/2.54	ТО-247	UFAST, диод
SGW25N120			25/3.70	ТО-247	FAST, КЗ уст
SKW25N120			25/3.70	ТО-247	FAST,диод,КЗ уст
IRG4PF50W			28/2.12	ТО-247	UFAST, 900В
IRG4PF50WD			28/2.12	ТО-247	UFAST, диод, 900В
IRGP30B120KD			30/2.98	ТО-247	FAST,диод,КЗ уст.
BUP314			33/3.80	ТО-218	FAST
BUP314D			33/3.80	ТО-218	UFAST, диод	IGBT транзистор с диодом BUP314D , справочные данные
HGTG27N120B			34/3. 90	ТО-247	FAST, КЗ уст
IRGPS40B120U			40/3.88	S-247	UFAST, КЗ уст	мощный ультрабыстрый высоковольтный IGBT IRGPS40B120U
IRG4PSH71K			42/2.60	S-247	FAST, КЗ уст	мощный быстрый высоковольтный IGBT транзистор IRG4PSH71K
IRG4PSH71KD			42/2.60	S-247	FAST,диод,КЗ уст	мощный быстрый высоковольтный IGBT транзистор с диодом IRG4PSH71KD
IRG4PSH71U			50/2.40	S-247	UFAST	мощный ультрабыстрый высоковольтный IGBT транзистор IRG4PSH71U
IRG4PSH71UD			50/2.25	S-247	UFAST, диод
IRG7Ph52U			60/3.10	ТО-247	UFAST	мощный ультрабыстрый высоковольтный IGBT транзистор IRG7Ph52U, характеристики
IRGPS60B120KD			60/3. 04	S-247	FAST,диод, КЗ уст	мощный IGBT транзистор с диодом IRGPS60B120KD
IRG7PSH73K10			75/2.60	S-247	FAST,КЗ уст	мощный устойчивый к короткому замыканию IGBT транзистор IRG7PSH73K10
						На главную

IGBT транзисторы — определение, схематическое обозначение, упрощенная эквивалентная схема и основные применения

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) или IGBT от английского Insulated-gate bipolar transistor — прибор совмещающий в одном корпусе два электронных компонента — полевой и биполярный транзисторы.

Рис. 2 Схематическое обозначение IGBT и упрощенная эквивалентная схема

По своей структуре igbt представляет собой составной транзистор включенный по каскадной схеме. Схематическое обозначение IGBT показано на рисунке 2 справа. Транзистор имеет три вывода: G – «затвор», C – «коллектор», E – «эмиттер». Входная часть транзистора изображается как вход МОП — транзистора с индуцированным каналом, выходная часть как выход биполярного p-n-p транзистора. Упрощенная эквивалентная схема IGBT показана на рисунке 2 слева. Интересно, что «коллектору» IGBT соответствует «эмиттер» выходного биполярного p-n-p транзистора, а «эмиттеру» наоборот «коллектору».

Такое составное включение двух электронных ключей: входной ключ на низковольтном полевом транзисторе управляет мощным оконечным ключом на высоковольтном биполярном транзисторе, позволило объединить преимущества обеих типов полупроводниковых приборов в одном корпусе.

IGBT сочетает преимущества полевых и биполярных транзисторов:

• высокое входное сопротивление, малый ток управления — от полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП)
• низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии — от биполярных транзисторов.
• малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
• характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
• управление не током, а напряжением как у МОП.

Основное применение IGBT транзисторов

IGBT применяют при работе с высокими напряжениями — более 1000 Вольт, высокой температурой — более 100 °C и высокой выходной мощностью — более 5 кВт.

Основное применение IGBT транзисторов — это импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы, инверторы.

Широкое применение igbt транзисторы нашли в схемах управления импульсной лампы во внешних вспышках для зеркальных фотоаппаратов, управлении мощным электроприводом, в источниках сварочного тока, источниках бесперебойного питания и т.д.

Пример реализации схемы управления импульсной лампой во внешней вспышке Nissin Di 866 на igbt транзисторе RJP4301 купить который можно в нашем магазине.

Оригинальные силовые биполярные IGBT транзисторы из Китая и немного о ремонте

Обзор специфичный, но наверняка кому-то будет полезен. Будет много технической информации, прошу понять и простить.

Длинная, но полезная предыстория

Иногда мне попадается на ремонт различная силовая электроника, например сварочные инверторы, преобразователи напряжения и частоты, приводы, блоки питания и т.п. Их ремонт часто связан с заменой различных силовых элементов (мосты, конденсаторы, реле, транзисторы MOSFET и IGBT). В магазинах чип и дип, компел, платан, элитан их купить в принципе не проблема, но оригинальные элементы стоят очень недёшево и с учётом доставки вызывают грусть-печаль…
В заначке у меня лежит немного разных силовых элементов для быстрого ремонта всячины, но когда требуется 8 одинаковых транзисторов, дело немного осложняется…

Есть 3 основные причины поломки такой техники:
1. Неправильная эксплуатация самим пользователем — это основная причина поломки аппаратов.
Существует куча способов убить исправный аппарат, перечислять их можно бесконечно…
2. Косяки производителя — некачественные элементы и сборка. В данном случае иногда помогает гарантия (но далеко не всегда).
3. Естественный износ — происходит, если аппаратом пользоваться очень аккуратно или редко за длительный период времени. Как правило, до естественного износа аппараты не доживают 🙁

На этот раз в ремонт попал сварочный инвертор Сварог ARC205 (Jasic J96) после неудачного ремонта в мастерской. Изначальная причина выхода их строя была №2 и затем аппарат добили в мастерской Очень часто после таких «ремонтов» аппараты восстановлению уже не подлежат, т.к. отсутствуют крепёжные элементы и появляются дополнительные механические и электрические повреждения. Так и в этот раз — половина крепежа утеряна, не хватает прижимных планок, транзисторы стоят все пробитые и разные, причём которые в принципе тут работать не могли. Первопричиной неисправности явился конструктивный недостаток этого инвертора — плата управления своими элементами касалась металлической рамы. Это и привело к сбою работы управляющей схемы и выходу из строя IGBT транзисторов, а затем драйвера и схемы плавного пуска. Ремонт получался либо быстро и дорого, либо приемлемо но долго, поэтому хозяин аппарата решил его не восстанавливать и просто отдал на запчасти. Такое часто бывает… Если-бы ремонт сразу проводил нормальный мастер, проблем с восстановлением было-бы заметно меньше.
Фото внутренностей сварочника в исходном виде я не делал, т.к. писать этот обзор не планировал.
Т.к. этот сварочник более-менее приличный, решил его неспешно восстановить для себя 🙂

О подборе

При замене транзисторов, вовсе не обязательно ставить точно такие-же, как стояли с завода. Кроме того, зачастую родные транзисторы стоят не лучшего качества, ибо китайский производитель также пытается сэкономить иногда в ущерб надёжности работы. В интернете мало информации по принципам подбора аналогов, поэтому напишу из собственного опыта.
Основными критериями при подборе IGBT транзистора в сварочный инвертор являются:
1. Наличие встроенного диода. Обычно он необходим всегда, кроме схемы подключения «косой полумост», где его наличие непринципиально.
2. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер. В бытовых сварочниках на 220В почти всегда, за редким исключением, стоят транзисторы на 600-650 вольт. Туда можно ставить только транзисторы на 600 (650) вольт. Транзисторы на 900 и 1200 вольт ставить нельзя — они будут перегреваться за счёт повышенного падения напряжения, к тому-же и стоят они дороже.
3. Максимальный ток коллектора. Обычно используют транзисторы на 30А, 40А или 60А (при температуре 100°C). На ток при температуре 25гр внимание не обращаем ибо важен именно реальный рабочий режим.
4. Входная ёмкость затвора. Желательно, чтобы ёмкость была не более, чем у родных транзисторов, чтобы не перегружать драйвер и не затягивать фронты импульсов.
5. Время включения и особенно отключения. Должно быть не более, чем у родных, чтобы не греть транзисторы коммутационными потерями.
6. Напряжение насыщения. Должно быть не более, чем у родных транзисторов, чтобы не греть транзисторы омическими потерями.
7. Если транзисторы стоят на изоляционных прокладках, на максимальную мощность внимания можно вообще не обращать — всё равно термопрокладка не позволит передать радиатору более 50Вт рассеиваемой мощности. Если транзисторы установлены на отдельные изолированные радиаторы, на мощность уже следует смотреть, т.к. при этом из транзисторов выжимается максимум мощности (там их часто ставят в уменьшенном количестве 2 шт в полумост или 4шт в мост).
Для MOSFET критерии подбора немного другие, но общий принцип тот-же.
— Встроенный диод имеется всегда т.к. он автоматически получается в технологическом процессе производства
— Время включения и отключения не имеет большого значения, т.к. оно заведомо меньше требуемого (мосфеты весьма шустрые элементы)
— Вместо напряжения насыщения огромное значение имеет сопротивление открытого канала — чем оно меньше, тем будут меньше омическиие потери

О качестве

Под видом оригинальных, китайский продавец может прислать элементы сильно разного качества — неисправные, перемаркированные, либо восстановленные. На странице заказа фото товара можно не смотреть — показать могут и оригинал, а прислать не то.
Заказывая товар недорого у непроверенного продавца, Вам наверняка пришлют товар низкого качества, даже не сомневайтесь. Этот вариант для меня совершенно неприемлем, ибо нужны гарантированно качественные новые элементы.
Основные категории данного товара:
1. Неисправные — пустышки без кристалла, либо пробитые. Работать естественно не могут никак.
2. Восстановленные бывшие в употреблении — имеют кривые короткие либо кустарно наваренные выводы, которые ломаются при попытке их согнуть. Как правило, работают нормально, но у них есть неприятная особенность — их параметры довольно сильно гуляют у каждого экземпляра, что иногда неприемлемо.
3. Перемаркированные — берут транзистор меньшей мощности, спиливают или затирают маркировку и наносят новую для покупателя. Иногда уже при изготовлении берут кристалл от маломощного транзистора (для TO-220) и помещают его в корпус TO-3PN, TO-247. Такие элементы зачастую работают, но как правило недолго, иногда всего несколько секунд…
4. Оригинальные — тут всё понятно без комментариев 🙂

Представляю на обзор оригинальные биполярные IGBT транзисторы FGA40N65SMD от ON Semiconductor (Fairchild Semiconductor)
www.onsemi.com/products/discretes-drivers/igbts/fga40n65smd
www.onsemi.com/pub/Collateral/FGA40N65SMD-D.pdf
Почему я выбрал именно эти транзисторы? Да приглянулись они мне 🙂 Мог с тем-же успехом заказать для ремонта например FGh50N60SMD и кучу других аналогичных по параметрам.
Почему именно 10шт, когда нужно всего 8шт? Да не продаются они по 8шт 🙂

Почтовый пакет

Посылку доставили неожиданно быстро — всего за 2 недели.
Продавец запаял транзисторы под вакуумом в антистатический пакет

Основные параметры из даташита:
Корпус TO-3PN
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер: 650В
Максимальный постоянный ток коллектора при 100°C: 40А
Максимальная рассеиваемая мощность при 100°C: 174Вт
Номинальное напряжение насыщения коллектор-эмиттер: 1,9В
Номинальная входная ёмкость затвора при напряжении коллектор-эмиттер 30В: 1880пФ
Номинальное время включения / отключения: 12нс / 92нс
Транзисторы имеют встроенный обратный силовой диод, необходимый для работы в мостовом включении инвертора.
Остальные параметры большого значения не имеют.

В оригинальности транзисторов я нисколько не сомневаюсь, т.к. по опыту интуитивно их определяю.
Но для обзора сделал несколько измерений.
Ничего магнитного внутри естественно нет.
Толщина выводов и корпуса соответствуют норме

Остальные размеры также в норме

Напряжение насыщения коллектор — эмиттер при токе 10А и напряжении на затворе 10В составило 1,36В — норма

Транзисторы в партии имеют очень небольшую разницу емкостей затвор — эмиттер 2726 — 2731пФ (измерено E7-22 при не подключенном выводе коллектора). Стабильность — это косвенный показатель качества.

Небольшое замечание — некоторые пытаются определять оригинальность транзистора по ёмкости затвора. Да, это в какой-то степени возможно, но только если измерять правильно и при этом правильно анализировать результаты.
Так вот, измерять ёмкость затвора надо именно на переменном токе при конкретном напряжении коллектор-эмиттер, причём нулевое напряжение не означает висящий в воздухе коллектор.

Измеренная ёмкость затвор-эмиттер сильно зависит от измерительного прибора, что не удивительно для нелинейного элемента.
Например, один и тот-же транзистор показывает входную ёмкость 2726пФ на положительной полярности и 3381пФ на отрицательной полярности прибором UT71E, 2660пФ и 2750пФ в зависимости от полярности тестером элементов MG328 VanVell ELC, 2860 пФ в обе стороны прибором E7-22

Ёмкость затвор — эмиттер при разном напряжении эмиттер-коллектор
Измерял E7-22 на 1кГц
0В — 3920пФ
1В — 3130пФ
2В — 2750пф
3В — 2570пФ
5В — 2380пФ
10В — 2200пФ
20В — 2000пФ
30В — 1830пФ

Для сравнения, измерил ёмкость затвор-эмиттер некоторых других оригинальных IGBT.
FGh50N60SMD — 2860пФ
FGH60N60SMD — 4410пФ
HGTG40N60A4 — 2270пФ

Взвешивать, поджигать, грызть и ломать транзисторы я не стал ибо в данном случае это не имеет никакого практического смысла.
Если интересно, что внутри сгоревших транзисторов, то вот два из них HGTG30N60A4 (слева и в центре) и FGh50N60SFD (родной)

HGTG30N60A4 вообще без диода и в принципе не мог нормально работать в этой сварке 🙁

Немного о ремонте

После разборки, аппарат очистил от грязи и пыли, провёл первичную диагностику, выпаял все неисправные элементы, подобрал им замену. Доступная схема аппарата неплохо помогает ремонту. Проверил состояние термопрокладок на пробой и повреждения. Восстановил цепь заряда конденсаторов, восстановил драйвер. Перепаял на другую сторону проблемный конденсатор на плате управления (который касался рамки)

Проверил осциллографом форму импульсов с драйверов на затворы транзисторов (которые ещё не впаяны).

Смазал прокладку термопастой КПТ-8, прилепил её на место, смазал транзисторы ей-же, вставил их на место, прикрутил к радиатору и только потом запаял. Очистил плату от флюса, всё ещё раз проверил.




Отдельно подал питание на систему управления и ещё раз проверил форму импульсов на затворах транзисторов (они пока без силового питания). Если всё в норме — подключаем сварочник в сеть через ЛАТР и лампу накаливания 100Вт или 95Вт. Это позволяет вовремя и безопасно диагностировать дополнительные проблемы в работе устройства. Прямое включение сварочника после ремонта иногда приводит к неприятностям. Плавно увеличиваю входное напряжение до запуска аппарата. Проверяю, что реле сработало, вентилятор крутится, на выходе появилось напряжение и лампа при этом не горит. При плавном повышении напряжения до полного сетевого, лампа не должна загораться. Если всё прошло нормально, устанавливаю крышку на место и включаю сварочник в сеть. Проверять его на электрод пока нельзя, т.к. необходимо убедиться в нормальной работе ограничения тока. При её неисправности, сварочник тут-же сгорит при касании электродом свариваемой детали. Для проверки работы токоограничения, необходим балласт и токовые клещи на постоянный ток или шунт ампер на 200. Я в качестве балласта использую толстую нихромовую спираль сопротивлением около 0,15 Ом.

Убедившись, что ток в замкнутой цепи регулируется в нужных пределах, можно приступать к тестовой сварке на токах от минимума до максимума.
В данной сварке ток нормально регулировался от 25А до 195А
Т.к. штатный ремень неудобен для оперативной переноски, на корпус была приклёпана дверная ручка 🙂

Более подробную информацию о ремонтах сварочников можно легко найти в интернете (например от Измаил инвертор)

Вывод: при желании, в Китае вполне возможно купить качественные оригинальные комплектующие. Покупайте в проверенных магазинах и Вам не придётся изучать, чем подделка отличается от оригинала. Магазин могу смело рекомендовать, теперь с них должок за рекламу 🙂
p.s. сварочные провода из этого обзора я делал для этого сварочника.
p.p.s. судя по комментариям, когда я товар ругаю, нахожу поддержку аудитории, но когда нормальный товар начинаю хвалить — сразу идут необоснованные обвинения во всех грехах. Это похоже местная традиция…

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

Самыми популярными и часто используемыми силовыми электронными переключателями являются биполярный транзистор BJT и полевой МОП-транзистор. Мы уже подробно обсудили работу BJT и MOSFET, а также то, как они используются в схемах. Но оба этих компонента имели некоторые ограничения для использования в приложениях с очень высоким током. Итак, мы переместили еще одно популярное силовое электронное коммутационное устройство под названием 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 , с тем, как они работают и как использовать их в схемах.

Что такое IGBT?

IGBT — это сокращенная 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 переключения / обработки сложных волновых паттернов 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 собой 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 из указанной ниже комбинации транзистора PNP, транзистора NPN и MOSFET. IGBT сочетает в себе низкое напряжение насыщения транзистора с высоким входным сопротивлением и скоростью переключения полевого МОП-транзистора.Результат, полученный в результате этой комбинации, обеспечивает характеристики переключения выхода и проводимости биполярного транзистора, но напряжение регулируется как полевой МОП-транзистор.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и BJT, они также называются разными именами. различных имен IGBT — это транзистор с изолированным затвором (IGT), транзистор с изолированным затвором и оксидом металла (MOSIGT), полевой транзистор с модулированным усилением (GEMFET), полевой транзистор с кондуктивной модуляцией (COMFET).

Работа IGBT

IGBT имеет три вывода, прикрепленных к трем различным металлическим слоям, металлический слой вывода затвора изолирован от полупроводников слоем диоксида кремния (SIO2). БТИЗ состоит из 4 слоев полупроводника, соединенных между собой. Слой ближе к коллектору — это слой подложки p + , выше, это слой n- , еще один p-слой находится ближе к эмиттеру, а внутри p-слоя у нас есть n + слоев .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 работу 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. Из-за источника напряжения V _CC переход J1 будет смещен в прямом направлении, тогда как 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 клемму Gate 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 накапливаться на верхней стороне слоя, а положительные ионы будут накапливаться на нижней стороне слоя SiO2.Это вызовет введение отрицательно заряженных носителей 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 протекать току от коллектора к эмиттеру . Прохождение тока представлено как путь тока на рисунке, когда прикладываемое 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, которые не имеют 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 — это те, которые имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя.Асимметричные IGBT — это те, у которых напряжение обратного пробоя меньше, чем напряжение прямого 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 пробивкой 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 термической стабильностью.	Они более надежны при отказе от короткого замыкания и обладают большей термической стабильностью.
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 выключения менее чувствительна к температуре, поэтому она останется 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 диаграмме 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 образовать 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. Используемый здесь JFET 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, , поэтому ему требуется только 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 прикладывается к выводу затвора для переключения двигателя (M) от 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. Коллекторный ток 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

GBT 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 TO-262, TO-251, TO-273, TO-274, TO-220, TO-220-3 FP, TO-247, TO-247AD. В комплект для поверхностного монтажа входят ТО-263, ТО-252.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

— обзор

5.1 Введение

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который был представлен в начале 1980-х годов, становится успешным устройством благодаря своим превосходным характеристикам.IGBT — это трехконтактный силовой полупроводниковый переключатель, используемый для управления электрической энергией. Многие новые приложения были бы экономически неосуществимы без IGBT. До появления IGBT, силовые транзисторы с биполярным переходом (BJT) и силовые металлооксидные полевые транзисторы (MOSFET) широко использовались в приложениях низкой и средней мощности и высокочастотных приложениях, где скорость отключаемых тиристоров затвора была недостаточной. . Power BJT имеют хорошие характеристики во включенном состоянии, но имеют длительное время переключения, особенно при выключении.Это устройства с регулируемым током с небольшим коэффициентом усиления по току из-за высокого уровня инжекции и большой ширины базы, необходимой для предотвращения сквозного пробоя для возможности высокого напряжения блокировки. Следовательно, они требуют сложных базовых схем возбуждения для обеспечения базового тока во включенном состоянии, что увеличивает потери мощности в управляющем электроде.

С другой стороны, силовые полевые МОП-транзисторы — это устройства, управляемые напряжением, которые требуют очень небольшого тока во время периода переключения и, следовательно, имеют простые требования к управлению затвором.Силовые полевые МОП-транзисторы — это устройства большинства несущих, которые демонстрируют очень высокие скорости переключения. Но униполярный характер силовых полевых МОП-транзисторов приводит к ухудшению характеристик проводимости при повышении номинального напряжения выше 200 В. Следовательно, их сопротивление в открытом состоянии увеличивается с увеличением напряжения пробоя. Кроме того, по мере увеличения номинального напряжения внутренний диод демонстрирует худшие характеристики обратного восстановления, что приводит к более высоким коммутационным потерям.

Чтобы улучшить характеристики силового устройства, выгодно иметь низкое сопротивление в открытом состоянии силовых BJT с изолированным входом затвора, как у силового полевого МОП-транзистора.Конфигурация Дарлингтона двух устройств, показанных на рис. 5.1, имеет лучшие характеристики по сравнению с двумя дискретными устройствами. Это гибридное устройство может быть стробировано как силовой полевой МОП-транзистор с низким сопротивлением в открытом состоянии, потому что большая часть выходного тока обрабатывается BJT. Из-за низкого коэффициента усиления по току BJT в качестве драйвера требуется полевой МОП-транзистор такого же размера. Более эффективный подход для получения максимальных преимуществ от управления затвором МОП и биполярной проводимости тока — это объединение физики МОП-транзистора и биполярного транзистора в одной полупроводниковой области. Эта концепция привела к появлению коммерчески доступных IGBT с превосходными характеристиками в открытом состоянии, хорошей скоростью переключения и отличной безопасной рабочей зоной. По сравнению с силовыми полевыми МОП-транзисторами отсутствие встроенного диода в корпусе можно рассматривать как преимущество или недостаток в зависимости от скорости переключения и требований по току. Внешний диод быстрого восстановления или диод в том же корпусе могут использоваться для определенных приложений. БТИЗ заменяют полевые МОП-транзисторы в высоковольтных приложениях с более низкими потерями проводимости.Они имеют напряжение и плотность тока в открытом состоянии, сравнимые с силовым BJT с более высокой частотой переключения. Хотя они и демонстрируют быстрое включение, их выключение происходит медленнее, чем у полевых МОП-транзисторов, из-за текущего времени спада. БТИЗ имеют значительно меньшую площадь кремния, чем полевые МОП-транзисторы с аналогичной номинальной мощностью. Таким образом, замена силовых MOSFET на IGBT повышает эффективность и снижает стоимость. IGBT также известен как полевой транзистор с модуляцией проводимости (COMFET), транзистор с изолированным затвором (IGT) и биполярный полевой МОП-транзистор.

РИСУНОК 5.1. Гибридная конфигурация Дарлингтона MOSFET и BJT.

Поскольку топологии с мягкой коммутацией предлагают множество преимуществ по сравнению с топологиями с жесткой коммутацией, их использование в отрасли растет. Благодаря использованию методов мягкой коммутации IGBT могут работать на частотах до сотен килогерц. В условиях мягкого переключения IGBT ведут себя иначе, чем в условиях жесткого переключения. Следовательно, компромиссы устройств, задействованные в схемах мягкого переключения, отличаются от тех, которые используются в случае жесткого переключения.Применение IGBT в преобразователях большой мощности подвергает их высоким переходным электрическим нагрузкам, таким как короткое замыкание и отключение при ограниченной индуктивной нагрузке, и поэтому надежность IGBT в условиях нагрузки является важным требованием. Традиционно взаимодействие между производителями устройств и разработчиками силовых электронных схем было ограниченным. Поэтому недостатки в надежности устройств наблюдаются только после их использования в реальных схемах. Это существенно замедляет процесс оптимизации системы силовой электроники.Время разработки можно значительно сократить, если на этапе проектирования учесть все вопросы, касающиеся производительности и надежности устройства. Поскольку в схемных приложениях довольно часто встречаются условия высокой нагрузки, чрезвычайно экономично и уместно моделировать характеристики IGBT в этих условиях. Однако развитие модели может быть продолжено только после правильного понимания физики работы устройства в напряженных условиях, создаваемых схемой. Физически обоснованное моделирование процессов и устройств — это быстрый и дешевый способ оптимизации IGBT.Появление имитаторов схем со смешанным режимом, в которых динамика полупроводниковых носителей оптимизирована в рамках ограничений переключения уровня схемы, является ключевым инструментом проектирования для этой задачи.

Руководство по выбору биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT)

Описание

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — это полупроводники, сочетающие в себе высоковольтный и сильноточный биполярный переходный транзистор (BJT) с маломощным и быстро переключающимся металлооксидным полупроводниковым полевым транзистором (MOSFET).Следовательно, IGBT обеспечивают более высокие скорости и лучшие характеристики привода и выхода, чем силовые BJT, и предлагают более высокие плотности тока, чем эквивалентные высокомощные MOSFET.

Конструктивно БТИЗ имеют двойную диффузию областей p-типа и n-типа. Подача напряжения на контакт затвора формирует инверсионный слой под затвором. Слой подложки p ⁺ служит стоком, позволяя области p-типа заполнять «дыры» в области дрейфа n-типа. Буферный слой n ⁺ предотвращает расширение области истощения до биполярного коллектора, уменьшая потери в открытом состоянии, но резко снижая способность устройства к обратной блокировке.

Технические характеристики

• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер
• Коллектор-эмиттер «включено» или напряжение насыщения
• Максимальный ток коллектора
• Ток утечки затвор-эмиттер
• Время нарастания
• Время падения
• Скорость переключения
• Рассеиваемая мощность
• Температура

Характеристики

Другие характеристики

• Полярность IGBT может быть n-канальной или p-канальной

• Пробивные и непробивные конструкции

• Удельный температурный диапазон

• Механические и электрические характеристики, подходящие для коммерческого, промышленного или автомобильного применения

• Уровни проверки на соответствие военным требованиям (MIL-SPEC)

Видео Кредит: ON Semiconductor / CC BY 3.0

Типы упаковки

Контур транзистора (TO) корпусов включает в себя TO-92, одиночный линейный корпус, часто используемый для маломощных устройств; TO-220, который подходит для силовых устройств большой мощности, среднего тока и с быстрым переключением; и TO-263, версия корпуса TO-220 для поверхностного монтажа.

Комплектации с малым контуром транзистора (SOT) включают SOT23, который часто используется в бытовой технике, офисном и промышленном оборудовании, персональных компьютерах, принтерах и коммуникационном оборудовании; SOT89, пластиковый корпус для поверхностного монтажа с тремя выводами и площадкой коллектора для хорошей теплопередачи; и SOT223, герметичный корпус, обеспечивающий отличную производительность в условиях высоких температур и влажности.

Типы корпусов IC для IGBT также включают дискретный или дека-ваттный корпус (DPAK) и плоский корпус (FPAK).

Способы упаковки

Катушка с лентой Метод позволяет упаковывать компоненты в ленточную систему путем наматывания определенной длины или количества для транспортировки, обработки и конфигурирования в стандартном для отрасли автоматизированном оборудовании для сборки плат.

Рейка , еще один стандартный метод упаковки, обычно используется только в производственных средах.

Устройства массовой упаковки распространяются как отдельные части, а компоненты лотков отправляются в лотках.

Трубчатый или магазинный метод используется для подачи биполярных транзисторов с изолированным затвором в автоматические установочные машины для сквозного или поверхностного монтажа.

Стандарты

IEC 60747-9 — Полупроводниковые приборы — дискретные устройства — Часть 9: биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBTS)

SAE PAPER 2001-01-1220 — Интеллектуальный IGBT для усовершенствованных систем зажигания

Список литературы

Кредит изображения:

Fuji Electric Corp.Америки | Все о схемах | Renesas

Транзисторы | Биполярные транзисторы с изолированным затвором

NTE Тип № Описание и Приложение Корпус Стиль Коллектор к эмиттеру Пробой Напряжение (В) Затвор к эмиттеру Отсечка Напряжение (В) Затвор к эмиттеру Пробой Напряжение (В) Максимум Коллектор Ток (А) Коллектор к эмиттеру Насыщение Напряжение (В) Вход Емкость (пФ) Устройство Общая мощность Рассеиваемая мощность @ T C = + 25 ° C (Вт) В (BR) CES В GE (Выкл.) BV GES I C В CE (насыщенный) C годы пол г 3300 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости TO220 Полный Пакет 400 мин 7 Макс ± 25 Макс 10 8.0 Макс 1350 Тип 30 макс. t r = 0,50 мкс, t вкл. = 0,50 мкс, t f = 6 мкс, t выкл = 7 мкс 3301 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости TO220 Полный Пакет 400 мин 7 Макс ± 25 Макс 15 8.0 Макс 2000 Тип 40 Макс t r = 0,50 мкс, t вкл. = 0,50 мкс, t f = 6 мкс, t выкл = 7 мкс 3302 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости TO220 Полный Пакет 600 мин. 6 макс. ± 20 Макс 8 4.0 Макс 650 Тип 30 макс. t r = 0,60 мкс, t вкл. = 0,80 мкс, t f = 0,35 мкс, t выкл = 1 мкс 3303 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости TO220 Полный Пакет 600 мин. 6 макс. ± 20 Макс 15 4.0 Макс 1100 Тип 35 Макс t r = 0,60 мкс, t вкл. = 0,80 мкс, t f = 0,35 мкс, t выкл = 1 мкс 3310 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости ТО3П 600 мин. 6 макс. ± 20 Макс 15 4.0 Макс 1100 Тип 100 Макс t r = 0,60 мкс, t вкл. = 0,80 мкс, t f = 0,35 мкс, t выкл = 1 мкс 3311 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости ТО3П 600 мин. 6 макс. ± 20 Макс 25 4.0 Макс 1400 Тип 150 Макс t r = 0,30 мкс, t вкл. = 0,40 мкс, t f = 0,15 мкс, t выкл. = 0,50 мкс 3320 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости TO3PBL 600 мин. 6 макс. ± 20 Макс 50 2.0 Макс 7900 Тип 240 Макс t r = 0,07 мкс, t вкл. = 0,24 мкс, t f = 0,05 мкс, t выкл. = 0,43 мкс 3322 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости TO3PBL 900 мин. 6 макс. ± 25 Макс 60 2.7 Макс 3800 Тип 170 Макс t r = 0,35 мкс, t вкл. = 0,46 мкс, t f = 0,25 мкс, t выкл. = 0,60 мкс 3323 N-CHANNEL Расширение Высокий режим Переключатель скорости TO3PBL 1200 мин. 6 макс. ± 20 Макс 25 4.0 Макс 3200 Тип 200 Макс t r = 0,30 мкс, t вкл. = 0,40 мкс, t f = 0,25 мкс, t выкл. = 0,80 мкс

Учебное пособие по схемам IGBT биполярного транзистора с изолированным затвором

Рис. 1

by Lewis Loflin

Недавно я обнаружил преимущества использования биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) по сравнению с MOSFET.На самом деле у меня было несколько дней, оставшихся после ремонта плазменного резака, и я решил их использовать. Это особенно верно при использовании с оптопарами для фотоэлектрических МОП-транзисторов, такими как VOM1271.

Процитируем два источника о преимуществах IGBT:

По сравнению с IGBT, силовой MOSFET имеет преимущества более высокой скорости коммутации и большей эффективности при работе при низких напряжениях. … IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, присущие полевому МОП-транзистору, с возможностью высокого тока и низкого напряжения насыщения биполярного транзистора.

А:

Основными преимуществами использования биполярного транзистора с изолированным затвором по сравнению с другими типами транзисторных устройств являются его высокое напряжение, низкое сопротивление в открытом состоянии, простота управления, относительно быстрая скорость переключения и в сочетании с нулевым током управления затвором, что делает его хорошим выбором для умеренных скорость, высокое напряжение …

Рис. 1 Основная теория построения IGBT в виде N-канального MOSFET и PNP-транзистора.

Рис. 2a

IXGh35N100 — это те, которые я использовал в своих тестовых схемах.Мои были извлечены из инверторной платы плазменного резака, о которой я расскажу ниже.

Помимо возможности высокого напряжения, некоторые из них имеют «максимальный номинальный ток коллектора Ic (max), превышающий 100A».

Символ IGBT находится слева.

В IXGh35N100 нет внутренних диодов маховика.

Рис. 2b

На рис. 2b показан БТИЗ с внутренними диодами маховика. FGA25N120 рассчитан на 1200 В, 25 А. Напряжение C-E sat при 25 А составляет 2,0 В.

Важным фактором является напряжение насыщения коллектор-эмиттер.В цепях индукционного нагрева используются следующие элементы.

FGPF4633 рассчитан на 330 В, напряжение C-E 1,55 В при 70 А.

IHW20N120R3 1200 В 20 А 1,48 В.

Рис. 3

Пример схемы инвертора IGBT от 12 В до 120 В переменного тока.

Рис.4

Инверторные устройства плазменной резки

Раньше ремонтировал портативные плазменные резаки этого типа. Цитата из Википедии:

Плазменные резаки с инвертором

преобразуют сетевое питание в постоянный ток, который подается на высокочастотный транзисторный инвертор в диапазоне от 10 кГц до примерно 200 кГц.Более высокие частоты переключения позволяют использовать трансформатор меньшего размера, что приводит к уменьшению габаритов и веса.

Изначально использовались транзисторы MOSFET, но теперь все чаще используются IGBT. При использовании параллельно подключенных полевых МОП-транзисторов, если один из транзисторов активируется преждевременно, это может привести к каскадному отказу одной четверти инвертора. Более позднее изобретение, IGBT, не подвержено этому режиму отказа. IGBT обычно можно найти в сильноточных машинах, где невозможно параллельное соединение достаточного количества MOSFET-транзисторов.

Рис. 5

Рис. 5 использует IGBT для отключения 170 В постоянного тока для высокочастотного трансформатора. Это используется в микроволновых печах Panasonic.

Более высокая частота позволяет использовать меньшие (более дешевые) трансформаторы. Это также снижает вес. D701, D701, C703 и C704 образуют удвоитель напряжения. R701 — это высоковольтный резистор утечки.

Поскольку я мог использовать ту же установку для тестирования IGBT, что и n-канальные MOSFET, я протестировал те, что были у меня.

IGBT, по крайней мере, те, которые у меня есть, не должны использоваться, если только это не цепь очень высокого напряжения.Они имеют высокое падение напряжения (Vce ~ 2 В) с низковольтными h-мостовыми схемами и лучше подходят для переключения на более высокое напряжение.

См. Тестовые силовые МОП-транзисторы, результаты IGBT, наблюдения

Вывод: IGBT не работают напрямую с микроконтроллерами 3,3 В и 5 В, такими как Arduino. Для включения требуется минимум 7 вольт. Высокое напряжение от 1,5 до 2 В может привести к потере энергии.

IGBT

отличаются от полевых МОП-транзисторов как положительным потоком, так и потоком электронов, который может передавать большую мощность даже при 2 В Vce на нагрузку.Они действительно предназначены для коммутации высокого напряжения.

Устройство	* Vce	* Vce (sat)	* Ic	Ic 10V	Vce
h30R1202	1200V	1.48V 90A
IXGh35N100A	1000V	3.5V	50A	3.4A	1.96V
IXGh2539 **	1000V?	?	?	3.7A	1.68V

* из спецификации.
** данные не найдены.

Оптическая развязка управления двигателем H-моста YouTube
Оптическая развязка управления двигателем с Н-образным мостом

Теория оптопары и схемы YouTube
Драйверы оптоизолированных транзисторов для микроконтроллеров

All NPN Transistor H-Bridge Motor Control YouTube
Управление двигателем с Н-мостом на всех NPN транзисторах

Учебное пособие по широтно-импульсной модуляции YouTube
Учебное пособие по широтно-импульсной модуляции

PIC12F683 Микроконтроллер и схемы YouTube
PIC12F683 Микроконтроллер и схемы

Разница между биполярным транзистором IGBT с изолированным затвором и полевым МОП-транзистором

МОП-транзистор против IGBT

В современном мире существует множество разновидностей твердотельных импульсных транзисторов питания для выполнения операций переключения в силовых электронных системах.Все они имеют свои собственные характеристики с точки зрения тока, напряжения, скорости переключения, нагрузки, схемы драйвера и температуры. У каждого есть свои ограничения и преимущества, но его использование зависит от требований приложения.

В большинстве коммутационных приложений металл-оксидный полупроводниковый транзистор с полевым эффектом (MOSFET) и биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) преобладают по сравнению с другими переключающими устройствами из-за их превосходных характеристик. Эти приложения включают источники бесперебойного питания (ИБП), солнечные инверторы и преобразователи, различные системы драйверов двигателей, приложения на основе технологии широтно-импульсной модуляции (ШИМ), импульсные источники питания (SMPS) и т. Д.

Давайте посмотрим на заметные различия, которые делают эти коммутационные устройства подходящими для соответствующих приложений. В этом отношении уместно описание следующих двух переключающих устройств.

Высоковольтный силовой полевой МОП-транзистор

Силовой МОП-транзистор

МОП-транзистор является наиболее часто используемым переключающим устройством, которое представляет собой силовое устройство, управляемое напряжением, в отличие от BJT, которое представляет собой устройство, управляемое током. MOSFET — это слаботочное, низковольтное и высокочастотное коммутационное устройство.Он состоит из трех выводов: затвора, стока и истока. Он поставляется с двумя различными режимами: режимами улучшения и истощения, и полевые МОП-транзисторы могут быть P-канальными или N-канальными полевыми МОП-транзисторами. МОП-транзисторы различаются в зависимости от уровня напряжения на клемме затвора.

В режиме обеднения максимальная проводимость имеет место между истоком и стоком, если нет напряжения на выводе затвора, тогда как положительное или отрицательное напряжение на затворе снижает проводимость. В режиме улучшения полевой МОП-транзистор не проводит ток, если на выводе затвора нет напряжения, а если напряжение больше, имеет место проводимость.

Если положительное напряжение больше порогового уровня, приложенного между затвором и истоком, оно создает проводящий слой за счет накопления электронов. Этот слой образуется между оксидным слоем и слоем P-подложки, отталкивая дырки от P-подложки и притягивая электроны в N-слое. С увеличением напряжения между затвором и истоком размер этого проводящего слоя увеличивается, что приводит к протеканию большего тока от истока к стоку. Таким образом, полевой МОП-транзистор переходит в режим проводимости за счет приложения напряжения между затвором и истоком.

МОП-транзистор можно отключить, уменьшив напряжение затвор-исток ниже порогового уровня. Иногда для его запуска требуется ток BJT, хотя MOSFET является переключателем, управляемым напряжением. Он также имеет диод со стоком на корпусе, который полезен при работе с приложениями с током свободного хода. Поскольку его сопротивление в открытом состоянии низкое, потери в открытом состоянии также ниже. МОП-транзисторы могут работать при высоких частотах и ​​низких напряжениях и идеально подходят для более быстрых операций переключения с низкими перепадами напряжения.Но они ограничены использованием при более высоких рабочих напряжениях в диапазоне около 500 В.

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)

IGBT спроектирован путем объединения функций MOSFET и BJT в монолитной форме. Поскольку BJT имеют высокую пропускную способность по току, а управление MOSFET легко, IGBT предпочтительны для приложений средней и высокой мощности. Это устройство с неосновным носителем заряда и имеет высокий входной импеданс.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Он имеет три вывода: эмиттер, коллектор и затвор.Затвор является управляющим выводом, тогда как выводы коллектора и эмиттера связаны для пути проводимости. IGBT представляет собой четырехслойную структуру P-N-P-N, такую ​​же, как у тиристоров. На рисунке ниже показаны различные слои IGBT, в которых поток электронов через область дрейфа и канал втягивает больше дырок в область дрейфа по направлению к эмиттеру. Поскольку ток состоит из дырок и электронов, ток имеет биполярную природу.

Структура IGBT

Подобно MOSFET, когда прикладывается положительное смещение затвора, он позволяет инвертировать P-базовую область под затвором и создает N-канал.В этом состоянии сопротивление n-слоя быстро уменьшается, когда положительные дырки инжектируются из p + -слоя в n-слой. Это заставляет IGBT обрабатывать больше токов, чем MOSFET, из-за более низких потерь проводимости. Для его выключения — отрицательное смещение на затворе или понижение напряжения затвора до порогового уровня отключает его из-за отсутствия инжекции дырок в N-область.

Разница между биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT) и силовыми полевыми МОП-транзисторами высокого напряжения

1. MOSFET — это устройство с основным носителем, в котором проводимость осуществляется за счет потока электронов, тогда как IGBT представляет собой поток тока, содержащий как электроны, так и дырки.Как обсуждалось выше, инжекция неосновных носителей (дырок) в область дрейфа значительно снижает напряжение на каскаде из-за модуляции проводимости. Это преимущество низкого падения напряжения в открытом состоянии по сравнению с MOSFET, который представляет собой меньший размер кристалла и менее дорогое устройство.
2. БТИЗ состоит из выводов эмиттера, коллектора и затвора, тогда как полевой МОП-транзистор состоит из выводов истока, стока и затвора.
3. БТИЗ преимущественно используется для приложений с более высоким напряжением, поскольку он униполярен и требует дополнительного диода свободного хода для обратного протекания тока.Из-за этого дополнительного диода на IGBT он дает очень высокую производительность по сравнению с MOSFET.
4. Структуры MOSFET и IGBT выглядят очень похоже, за исключением P-подложки под N-подложкой. Благодаря этому дополнительному слою проводимость увеличивается за счет инжекции дырок, что также снижает напряжение в открытом состоянии, как обсуждалось выше.
5. MOSFET рассчитан на напряжение около 600 вольт, тогда как IGBT рассчитан на напряжение в диапазоне около 1400 В. Следовательно, при высоких напряжениях ток становится низким, что в конечном итоге приводит к низким коммутационным потерям.
6. IGBT предпочтительнее для низкой частоты (менее 20 кГц), высокого напряжения (более 1000 В), небольшой или узкой нагрузки или линейных колебаний; низкий рабочий цикл, высокая рабочая температура; и приложения с номинальной выходной мощностью более 5 кВт; тогда как MOSFET предпочтительнее для широких нагрузок или вариаций линии, низкого напряжения (менее 250 В), больших рабочих циклов и высокочастотных (более 200 кГц) приложений.
7. Типичные приложения IGBT включают источники бесперебойного питания (ИБП), маломощное освещение, управление двигателями и сварочные приложения, импульсные источники питания (SMPS), зарядку аккумуляторов и т. Д., но по сравнению с MOSFET в некоторых приложениях преобладает IGBT.

Разница между IGBT и MOSFET

На приведенной выше диаграмме вы можете наблюдать некоторые сравнения IGBT и MOSFET на основе их модели с номинальными характеристиками. Следовательно, при выборе переключающих устройств, особенно IGBT и MOSFET, необходимо учитывать более крупные параметры для соответствующих приложений в области силовой электроники. По любым прикладным проектам на этих устройствах вы можете связаться с нами, оставив комментарий ниже.

Фото:

BJT vs MOSFET vs IGBT сравнение разницы транзисторов

MOSFET против BJT против IGBT

Если вам всегда было интересно, 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 части 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 однозначен, 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 контроллером двигателя , 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, важна рабочая частота . 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? Сколько? 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 является основной функцией (если хотите, смыслом существования) любого силового полупроводникового устройства. У вас есть нагрузка, через которую вы хотите пропускать 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 повлияют на ваш выбор технологии силовых транзисторов. Среди них — величина тока, необходимого для вашей конкретной нагрузки, желаемое напряжение, которое должно быть приложено к нагрузке для достижения этого тока, а также максимальная скорость изменения тока (dI / dt) и напряжения (dV / dt), необходимого.

Вкратце, 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 — Выберите МОЩНОСТЬ

Первым делом вы должны решить, какое количество энергии потребуется вашей системе, и, для этого вам нужно решить:

— Максимальное напряжение и ток
— Максимальная частота срабатывания
— 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 тоже будущая статья). Просмотрите это меню полупроводниковых, трехконтактных высокомощных устройств, и вы увидите, что каждое из них управляет нагрузкой по-своему.

BJT BJT изменяет свой выходной ток (определяемый здесь как ток, протекающий через устройство от эмиттера к коллектору или наоборот) в соответствии с его базовым током возбуждения, умноженным на его коэффициент усиления по току (hFE). Из-за этого BJT часто описывают как устройство, управляемое током.

МОП-транзистор Напротив, полевой МОП-транзистор описывается как устройство, управляемое напряжением, поскольку его выходной ток изменяется в зависимости от небольшого напряжения, приложенного к его затвору.Функционально происходит то, что электростатическое поле затвора воздействует на сопротивление канала исток-сток устройства (отсюда и термин «полевой транзистор»).

IGBT IGBT также можно рассматривать как устройство, управляемое напряжением, поскольку его выходной ток также является функцией небольшого напряжения, приложенного к его затвору. Однако функционально он отличается тем, что это напряжение управляющего сигнала модулирует сопротивление канала, которое, в свою очередь, также изменяет количество носителей тока (как электронов, так и дырок), доступных для переноса тока от вывода эмиттера к выводу коллектора.

ЧАСТЬ 3 — Сравнение технологий и компромиссы

Теперь, когда я подогрел ваш аппетит, давайте рассмотрим эту триаду типов силовых транзисторов более подробно. Мы сосредоточимся на этом более подробном рассмотрении, ограничив наше сравнение их использованием в качестве мощных переключающих транзисторов. Это уместно, так как большинство современных приложений для силовых схем, даже аудио, используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для управления мощностью нагрузки, будь то трансформатор, индуктор, обмотка двигателя, светодиод, лампа, резистор или даже громкоговоритель.Это связано с тем, что ШИМ по своей природе более эффективен, чем линейное управление / регулирование нагрузки. Таким образом, с этой точки зрения нам нужно посмотреть на быстродействие силовых транзисторов, а не только на возможности управления напряжением и током.

— Биполярный транзистор , предназначенный для использования в качестве транзистора большой мощности, будет демонстрировать довольно скромный коэффициент усиления по току (с hFE в диапазоне от однозначного до двухзначного). И хотя он может работать как ВЧ-усилитель, сложности с обеспечением значительного базового тока возбуждения в коммутационном приложении обычно ограничивают его использование до 100 кГц или меньше.В этом диапазоне скоростей переключения есть BJT, которые могут эффективно обрабатывать десятки ампер, выдерживая при этом напряжения от нескольких сотен до тысячи вольт и более. С точки зрения сравнения с двумя другими технологиями силовых транзисторов, мы можем рассматривать BJT как высоковольтное, но слаботочное устройство.

— И наоборот, полевые МОП-транзисторы , предназначенные для использования в качестве мощных транзисторов, обычно будут сильноточными, но низковольтными устройствами. Возможно переключение частот до 500 кГц, и есть полевые МОП-транзисторы, которые могут выдерживать несколько сотен ампер, но они обычно ограничиваются напряжениями намного меньше 100 В.Существенным преимуществом полевых МОП-транзисторов является то, что схема, необходимая для управления затвором, очень проста и имеет низкое энергопотребление.

— Интересно, что IGBT были разработаны специально как силовые транзисторы с целью объединения как сильноточных, так и высоковольтных. В этой роли они вытеснили как BJT, так и MOSFET (а также тиристоры) во многих приложениях с высокой мощностью. В этой технологии есть довольно впечатляющие устройства, которые могут выдерживать токи выше 1000 А при коммутации нескольких тысяч вольт! Однако у них есть ограничения, причем скорость переключения является значительной.Производители этих устройств постоянно работают над улучшением скорости переключения (в частности, за счет уменьшения времени спада), и за десятилетия, прошедшие с момента коммерческого внедрения IGBT, скорость переключения почти утроилась. Тем не менее, практические скорости переключения для силовых каскадов мощных IGBT редко превышают 50 кГц.

ЧАСТЬ 4 — Прочие параметры

Основные параметры для сравнения силовых транзисторов показаны на следующем фото ниже. Помимо оценки этих ключевых параметров, при просмотре и сравнении таблиц данных силовых транзисторов следует также учитывать как реактивное поведение, так и поведение нагрузки при отказе.Например, IGBT могут блокироваться (как тиристор), если они подвергаются току короткого замыкания, превышающему их номинальное время выдерживания короткого замыкания (tSC) в микросекундах. А индуктивные нагрузки могут создавать большие всплески напряжения, которые могут превышать напряжение пробоя BJT, или перегружать лавинную энергоемкость основного диода (EAS) полевого МОП-транзистора.

Итак, как вы можете видеть на схеме выше, у нас на выходе 3 катушки. Пока не обращайте внимания на катушку L3, потому что это будет выходная катушка, которая будет создавать магнитное поле.У нас есть 2 катушки, L1 и L2, и один конденсатор, C1. У нас будет резонанс, как и раньше, но на этот раз он будет другим и никогда не прекратится. Как вы можете видеть, у нас также есть два диода, D1 и D2, которые подключены к затвору двух транзисторов, T1 и T2. Когда сигнал сначала колеблется на C1, на одной стороне C1 будет положительное напряжение, а на другой стороне C1 — отрицательное напряжение. Таким образом, один диод будет пропускать ток, а другой — нет. Таким образом, один транзистор будет включен, а другой выключен.Но буквально через мгновение из-за этого процесса полярность на C1 изменится, и это активирует второй транзистор и выключит другой. И этот процесс будет повторяться снова и снова, и это изменит поток тока внутри катушки L3, потому что, как вы можете видеть, один enf этой катушки подключен к 15 В, а другой конец будет подключен к отрицательному или положительному, и тем самым будет создаваться колебательный ток. Это создаст колеблющееся магнитное поле.

ЧАСТЬ 5 — Улучшенный трехмерный вид

Мы обсудили три ключевых параметра производительности, которые помогают нам понять, какая технология силовых транзисторов лучше всего подходит для вашей конструкции силового каскада.Повторюсь, это максимальное рабочее напряжение, максимальный рабочий ток и максимальная частота переключения. Эти и другие параметры таблицы предоставляют проектировщику техническую информацию, необходимую для принятия продуманных проектных решений. Но часто дизайнеры также хотели бы знать, как эти устройства обычно используются в коммерческих / промышленных приложениях, поскольку это дает представление о том, как другие дизайнеры оценивали компромисс между производительностью и стоимостью.

Этот график иллюстрирует область применения силовых транзисторов в трех измерениях.Каждая ось графика представляет один из трех ключевых параметров производительности, а каждая технология силового транзистора представлена ​​стрелкой разного цвета.

Например, вверху графика вы увидите полосу, представляющую приложения для небольших электромобилей (например, тележки для гольфа, вилочные электрические погрузчики). Контроллеры двигателей в них обычно работают при напряжениях от 48 В до 72 В и токах до нескольких сотен ампер, и они обычно используют полевые МОП-транзисторы PWM, управляющие двигателем на частотах около 20 кГц (удобно выше человеческого слуха).

В качестве предостережения, данные, управляющие этим графиком, должным образом считаются анекдотическими, поскольку они взяты из моих личных наблюдений. Я предоставил его в надежде поделиться своим опытом четырех десятилетий работы в отрасли с широким кругом клиентов и приложений.

Заключение Теперь у вас должно быть хорошее представление о возможных вариантах и ​​о том, с чего начать при выборе типа силового транзистора для использования в вашей следующей мощной конструкции. Следите за будущими статьями по связанным темам.

Помогите мне, поделившись этим постом
.