Управление транзистором igbt – 5.3.. Биполярные транзисторы с полевым управлением Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt) Устройство и особенности работы

Схемотехнические способы борьбы с защелкиванием в каскадах с IGBT транзисторами

Введение

Преимущества IGBT транзисторов при использовании их в импульсных силовых каскадах (особенно высоковольтных) общеизвестны: это высокая плотность тока, малые статические и динамические потери, отсутствие тока управления, устойчивость к короткому замыканию, простота параллельного соединения.

Отсутствие тока управления в статических режимах и общее низкое потребление по цепям питания позволяет отказаться от гальванически изолированных схем управления на дискретных элементах и создать интегральные схемы — драйверы. Драйверы, управляющие транзисторами нижнего плеча, в настоящее время выпускаются практически всеми ведущими фирмами. Кроме обеспечения тока затвора они способны выполнять и ряд вспомогательных функций таких, как защита от перегрузки по току, падения напряжения управления и ряд других.

В дополнение к ним, некоторые фирмы выпускают драйверы транзисторов верхнего плеча, выдерживающие перепад напряжений до 600 В и даже 1200В, а также драйверы полумостовых и мостовых соединений мощных транзисторов. На вход этих драйверов подаются сигналы КМОП или ТТЛ уровня относительно отрицательной шины питания. Особая ценность таких микросхем состоит в том, что их выходные каскады способны питаться от так называемых «бутстрепных» конденсаторов в схемах «зарядового насоса» и не требуют «плавающих» источников питания.

Большую гамму драйверов различного назначения поставляет фирма International Rectifier, в том числе:

  • драйвер транзистора верхнего плеча IR2125
  • драйвер полумоста IR211Х
  • драйвер трехфазного моста IR213Х
  • драйвер трехфазного моста на напряжение 1200В! IR223Х

Среди наиболее известных можно также назвать драйверы нижнего плеча МС33153, МС34151 фирмы Motorola и драйверы с гальванической развязкой Hewlett Packard.

Все сказанное выше делает транзисторы IGBT в сочетании с микросхема-ми управления оптимальными элементами для построения силовых ключевых каскадов с мощностью до десятков киловатт. Однако указанные элементы имеют и ряд технологических недостатков, ограничивающих область их применения. Среди наиболее серьезных — наличие времени рассасывания базы биполярной части IGBT (хвоста) и способность транзисторов и драйверов к защелкиванию.

Причины защелкивания

Причиной защелкивания IGBT транзисторов является наличие триггерной структуры, образованной биполярной частью…

www.eham.ru

схема и преимущество использования в сварке

Применение высоковольтных мощных полупроводников позволило создавать компактные производительные сварочные инверторы. Последним словом в этой области после MOSFET инверторов стали сварочные аппараты на IGBT транзисторах.

Полевые полупроводники

Используемые в инверторах полупроводники по MOSFET технологии – это полевые силовые транзисторы с изолированным затвором. Управление полупроводником осуществляется напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, управляемых током. Канал ключа имеет высокую проводимость 1 мОм. В закрытом виде у них огромное входное сопротивление.

Изначально полевые полупроводники использовались и до сих пор применяются как ключи. В схемах импульсных источников питания применяются полевики с индуцированным затвором. В таком исполнении при нулевом напряжении на затвор-исток канал закрыт.

Для открытия ключа требуется подать потенциал определенной полярности. Для управления ключом не требуется силовых источников. Данные полупроводники часто используются в источниках питания и инверторах.

Биполярный прибор

IGBT – это биполярный транзистор с изолированным затвором, применяемый в инверторе. Фактически он состоит из двух транзисторов на одной подложке. Биполярный прибор образует силовой канал, а полевой является каналом управления.

Соединение полупроводников двух видов позволяет совместить в одном устройстве преимущества полевых и биполярных приборов. Комбинированный прибор может, как биполярный, работать с высокими потенциалами, проводимость канала обратно пропорциональна току, а не его квадрату, как в полевом транзисторе.

При этом IGBT транзистор имеет экономичное управление полевого прибора. Силовые электроды называются, как в биполярном, а управляющий получил название затвора, как в МОП приборе.

IGBT транзисторы для сварочных инверторов и силовых приводов, где приходится работать при высоких напряжениях, стали использовать, как только отладили технологию их производства. Они сократили габариты, увеличили производительность и мощность инверторов. Иногда они заменяют даже тиристоры.

В IGBT инверторе для обеспечения работы мощных переключателей применяются драйверы – микросхемы, усиливающие управляющий сигнал и ускоряющие быструю зарядку затвора.

Некоторые модели IGBT транзисторов работают с напряжением от 100 В до 10 кВ и токами от 20 до 1200 А. Поэтому их больше применяют в силовых электроприводах, сварочных аппаратах.

Полевые транзисторы больше применяют в импульсных источниках и однофазных сварочных инверторах. При токовых параметрах 400-500 В и 30-40 А они имеют лучшие рабочие характеристики. Но так как IGBT приборы могут применяться в более тяжелых условиях, их все чаще применяют в сварочных инверторах.

Применение в сварке

Простой сварочный инвертор представляет собой импульсный источник питания. В однофазном инверторном источнике питания переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 или 60 Гц выпрямляется с помощью мощных диодов, схема включения мостовая.

Затем инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, но уже высокой частоты (от 30 кГц до 120 кГц). Проходя через понижающий высокочастотный трансформатор (преобразователь), напряжение понижается до нескольких десятков вольт. Потом этот ток преобразуется обратно в постоянный.

Все преобразования необходимы для уменьшения габаритов сварочного аппарата. Традиционная схема сварочного инвертора получалась надежной, но имела очень большие габариты и вес. Кроме этого, характеристики сварочного тока с традиционным источником питания были значительно хуже, чем у инвертора.

Передача электроэнергии на высокой частоте позволяет использовать малогабаритные трансформаторы. Для получения высокой частоты постоянный ток преобразуется с помощью высоковольтных, мощных силовых транзисторов в переменный частотой 50-80 кГц.

Для работы мощных транзисторов напряжение 220 В выпрямляется, проходя через мостовую схему и фильтр из конденсаторов, который уменьшает пульсации. На управляющий электрод полупроводника подается переменный сигнал с генератора прямоугольных импульсов, который открывает/закрывает электронные ключи.

Выходы силовых транзисторов подключаются к первичной обмотке понижающего трансформатора. Благодаря тому, что они работают на большой частоте, их габариты уменьшаются в несколько раз.

Силовой инверторный блок

Переменное напряжение 220 В – это некоторое усредненное значение, которое показывает, что оно имеет такую же энергию, как и постоянный ток в 220 В. Фактически амплитуда равна 310 В. Из-за этого в фильтрах используются емкости на 400 В.

Мостовая выпрямительная сборка монтируется на радиатор. Требуется охлаждение диодов, поскольку через них протекают большие токи. Для защиты диодов от перегрева на радиаторе имеется предохранитель, при достижении критической температуры он отключает мост от сети.

В качестве фильтра используются электролитические конденсаторы, емкостью от 470 мкФ и рабочим напряжением 400 В. После фильтра напряжение поступает на инвертор.

Во время переключения ключей происходят броски импульсного тока вызывающие высокочастотные помехи. Чтобы они не проникали в сеть и не портили ее качество, сеть защищают фильтром электромагнитной совместимости. Он представляет собой набор конденсаторов и дросселя.

Сам инвертор собирается по мостовой схеме. В качестве ключевых элементов применяются IGBT транзисторы на напряжения от 600 В и токи соответствующие данному инвертору.

Они тоже с помощью специальной термопасты монтируются на радиаторы. При переключениях этих транзисторов возникают броски напряжения. Чтобы их погасить применяются RC фильтры.

Полученный на выходе электронных ключей переменный ток поступает на первичную обмотку высокочастотного понижающего трансформатора. На выходе вторичной обмотки получается переменный ток напряжением 50-60 В.

Под нагрузкой, когда идет сварка, он может выдавать ток до нескольких сотен ампер. Вторичная обмотка обычно выполняется ленточным проводом для уменьшения габаритов.

На выходе трансформатора стоит еще один мощный диодный мост. С него уже снимается необходимый сварочный ток. Здесь используются быстродействующие силовые диоды, другие использовать нельзя, потому что они сильно греются и выходят из строя. Для защиты от импульсных бросков напряжения используются дополнительные RC цепи.

Мягкий пуск

Для питания блока управления инвертора применяется стабилизатор на микросхеме с радиатором. Напряжение питания поступает с главного выпрямителя через резистивный делитель.

При включении сварочного инвертора конденсаторы начинают заряжаться. Токи достигают таких больших величин, что могут сжечь диоды. Чтобы этого не произошло, используется схема ограничения заряда.

В момент пуска ток проходит через мощный резистор, который ограничивает пусковой ток. После зарядки конденсаторов резистор с помощью реле отключается, шунтируется.

Блок управления и драйвер

Управление инвертором осуществляет микросхема широтно-импульсного модулятора. Она подает высокочастотный сигнал на управляющий электрод биполярного транзистора с изолированным затвором. Для защиты силовых транзисторов от перегрузок дополнительно устанавливаются стабилитроны между затвором и эмиттером.

Для контроля напряжения сети и выходного тока используется операционный усилитель, на нем происходит суммирование значений контролируемых параметров. При превышении или понижении от допустимых значений срабатывает компаратор, который отключает аппарат.

Для ручной регулировки сварочного тока предусмотрен переменный резистор, регулировочная ручка которого выводится на панель управления.

Сварочное оборудование на IGBT транзисторах имеет наилучшие характеристики по надежности. По сравнению с полевыми ключами биполярные транзисторы с изолированными затворами имеют преимущество больше 1000 В и 200 А.

При использовании в бытовых приборах и сварочных инверторах для домашнего пользования первое место до недавнего времени оставалось за сварочным оборудованием с MOSFET полупроводниками. Эта технология давно используется и хорошо отработана. Но у нее нет перспектив роста, в отличие от оборудования на IGBT транзисторах.

Новые модели уже ничем не уступают устройствам с полевыми приборами и на малых напряжениях. Только по цене первенство остается за аппаратами с полевыми транзисторами с индуцированным затвором.

svaring.com

Схемы управления MOSFET и IGBT – Полупроводниковая силовая электроника

Разработчику энергосберегающей аппаратуры, который использует современную элементную базу силовой электроники, необходимо уметь правильно организовывать структуру управления мощными силовыми полупроводниковыми приборами. Ниже рассмотрим наиболее часто встречающиеся на практике случаи организации такого управления. В зависимости от конкретной ситуации можно использовать управление КМОП-логикой, эмитгерными повторителями, схемами управления с разделением цепей заряда и разряда входной емкости. Рассмотрим особенности организации управления с помощью КМОП-логики. На рис. 3.97 показан КМОП инвертор, образованный рМОП и пМОП транзисторами с индуцированным каналом.

Рис. 3.97. КМОП инвертор

Напряжение питания КМОП инвертора может изменяться в широких пределах. В статическом состоянии и без нагрузки такой элемент потребляет очень малый ток, поскольку один из транзисторов в статическом состоянии всегда закрыт. Если на входе инвертора напряжение логического нуля UQ, то Т1 открыт, а Т2 — закрыт, если напряжение логической единицы ί/, то Т2 открыт, а Т1 — закрыт.

На рис. 3.98 показан пример организации управления MOSFET-транзистором Т с помощью стандартного КМОП-инвертора. Схема управления мощным MOSFET с помощью КМОП логики является одной из самых простых, но такая схема эффективно работает при медленном переключении MOSFET. Оценим время переключения, например, для типовых выходных токов КМОП-инвертора, которые составляют ~24 мА (или 0,024 А). Время заряда емкости затвора MOSFET определим из выражения:

Для стандартных значений Um = 5 В, С и = 4 нФ получаем, что время переключения At = 4 · 10-9 · 5/0,024 = 833 · 10-9 с = 833 нс.

Эффективным способом сокращения времени включения и выключения мощного полевого транзистора ТЗ является применение эмиттерных повторителей между логической схемой, ШИМ-контроллером и затвором транзистора, как показано на рис. 3.99 [15].

Рис. 3.99. Управление MOSFET и IGBT при помощи эмиттерных повторителей

При отпирании MOSFET включается транзистор Т1 верхнего плеча эмитгерного повторителя, который обеспечивает протекание входного тока транзистора ТЗ, величина которого определяется выражением:

>

Следовательно, поступающий через резистор R1 с выхода контроллера ток усиливается в β + 1 раз, что позволяет существенно уменьшить время включения MOSFET

При запирании MOSFET значение его входного тока будет определяться следующим выражением:

)

Резистор R3, включаемый между общей шиной и затвором мощного транзистора, необходим для устранения выхода из строя MOSFET (ТЗ) в случае, когда напряжение питания +Un не подано, а транзистор ТЗ уже запитан. Емкость С необходима для снижения уровня помех на затворе транзистора ТЗ.

Необходимо соблюдать следующее обязательное условие — элементы ΤΙ, Т2, R2, R3 должны быть расположены на плате в непосредственной близости с транзистором ТЗ.

При большой мощности, переключаемой MOSFET (в нагрузке 1,5 кВт и более), цепи заряда и разряда входной емкости С и транзистора ТЗ следует полностью разделить, как это показано на рис. 3.100, причем при выборе резисторов R2, R3 эмитгерного повторителя необходимо обеспечивать условие: R3 много меньше R2,

Рис. 3.100. Управление MOSFET с разделением цепей заряда и разряда входной емкости

Рис. 3.101. Управление стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT

Отдельного внимания требует рассмотрение особенностей организации управления стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT, которая достаточно часто встречается на практике. Специальные устройства для управления MOSFET и IGBT могут непосредственно подавать напряжение на затвор, обеспечивая при этом необходимую величину тока заряда входной емкости. Дополнительный транзистор требуется в затворной цепи для обеспечения режима быстрого для быстрого запирания MOSFET (рис. 3.101) [15].

Схема работает следующим образом. Два выходных сигнала от управляющего драйвера находятся в противофазе. При высоком напряжении на выводе DRV1A (по отношению к DRV1B) на выводе DRV2A имеет место низкое напряжение (по отношению к DRV2B), и наоборот. Резисторы R2 и R4 обеспечивают поддержание закрытого состояния транзисторов Т1 и Т2 при отсутствии сигналов на выходе драйвера.

Низкоомные резисторы R1 и R3 ограничивают значения токов выходных каскадов драйвера. При отпирании одного из транзисторов (например, Т1) высокое напряжение с выхода 1 (DRV1A) драйвера через диод D1 поступает на затвор Т1. Транзистор ТЗ в интервале открытого состояния Т1 оказывается запертым. Если напряжение на данном выходе драйвера близко к нулю, биполярный транзистор открывается, а входная емкость быстро разряжается через открытый р-п-р транзистор.

В отдельных случаях применяется схема управления с помощью трансформатора, когда использование драйвера по каким-то причинам невозможно или когда нужна гальваническая развязка между ШИМ-контроллером и силовым ключом.

Рис. 3.102. Управление стойкой (полумостом) MOSFET и IGBT с помощью трансформатора

На представленной схеме нижний MOSFET управляется непосредственно от ШИМ-контроллера, а верхний — от трансформатора. Такой способ применим, когда используются полевые транзисторы не очень большой мощности, а частота их переключения в устройстве достаточно высокая, что не позволяет использовать ИМС драйвера.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

nauchebe.net

5.3 Управление мощными полевыми транзисторами

Мощные
полевые транзисторы — международное
общепринятое название М0SFЕТ
— находят широчайшее применение в
выходных каскадах устройств силовой
элект­роники, уступая только некоторые
области биполярным транзисторам (БТ) и
би­полярным транзисторам с изолированным
затвором (международный термин IGBT).

Цепи
управления М0SFЕТ
являются гораздо более простыми,
дешевыми, лег­ко воспроизводимыми по
сравнению с аналогичными цепями
биполярных транзи­сторов.

5.4 Транзистор igbt в качестве ключа

Транзистор
IGВТ представляет собой кремниевый
гибрид, составленный из мощного полевого
МОП-транзистора на выводе затвора и
«неблокируемого» тринистора (silicon
controlled rectifier, SCR) между выводами коллектора
и эмиттера. Его внутренняя схема показана
на рисунке 22.

Рисунок22
– Внутренная схема транзистора
IGBT

Преимущество
транзистора IGBT перед полевым
МОП-транзистором заключается в экономии
площади кремниевого кристалла и его
характеристиках тока через биполярный
коллектор. Кроме того, у транзистора
IGBT есть два недостатка: высокое напряжение
насыщения из-за наличия двух последовательных
p–n-переходов и то, что он может иметь
длинный «хвост» выключения, который
добавляется к потерям переключения.
«Хвостовые» потери ограничивают частоту
переключения до менее чем 20 кГц. Это
делает такой транзистор идеальным для
приводов двигателей промышленной
электроники, где частота переключений
чуть выше диапазона звуковых частот,
воспринимаемых человеком.

Транзисторы
IGBT были целью многих исследований,
проведенных компаниями-производителями
полупроводников, и указанный временной
«хвост» был существенно укорочен.
Первоначально этот промежуток составлял
около 5 мкс, а на сегодняшний день он
составляет лишь около 100 нс и продолжает
уменьшаться. Уровень напряжения насыщения
также был улучшен: примерно от 4 В до
менее чем 2 В. Хотя это проблема для
низковольтных преобразователей
постоянного тока в постоянный, но для
автономных и промышленных преобразователей
большой мощности применение IGBT очень
привлекательно. По личному мнению
автора, транзисторы IGBT можно применять
для преобразователей с уровнем входного
напряжения выше 220 В AC и мощностью 1 кВт.

Управление
транзисторами IGBT идентично управлению
полевыми МОП-транзисторами. Они имеют
подобные характеристики управления
затвором, а схема драйвера МОП-транзистора
очень хорошо работает и с транзистором
IGBT.

5.5 Драйверы управления мощными транзисторами

Драйверы
— микросхемы управления, связывающие
различные контроллеры и ло­гические
схемы с мощными транзисторами выходных
каскадов преобразователей или устройств
управления двигателями. Драйверы,
обеспечивая передачу сигналов, должны
вносить по возможности небольшую
временную задержку, а их выходные каскады
должны выдерживать большую емкостную
нагрузку, характерную для зат­ворных
цепей транзисторов. Вытекающий и
втекающий токи выходного каскада должны
составлять от 0,5 до 2 А или более.

Драйверы
могут выполнять логические функции,
обеспечивать защиту управ­ляемых
транзисторов (УТ) и передавать сигналы
о неисправностях. Ниже рассмат­ривается
несколько разновидностей современных
драйверов.

studfiles.net

Радио для всех — Транзистор IGBT

 

 

 

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) или изолированный затвор — это устройство, которое сочетает в себе характеристики полевого транзистора с металлическим оксидом (MOSFET) с высоким током и низким напряжением насыщения биполярного транзистора. Он действует как высокочастотный переключатель высокого тока, который используется в преобразователях переменного / постоянного тока, управления двигателем и в приложениях источников питания с переключением. Он имеет более низкое напряжение VCE (насыщения), что позволяет ему работать с большей плотностью тока, чем с биполярным транзистором. Его можно моделировать как PNP-транзистор, управляемый силовым МОП-транзистором. Используемое нормальное напряжение возбуждения затвора находится в области 15 В, где напряжение насыщения получается таким образом, что потери проводимости сведены к минимуму. Безопасная рабочая область показывает максимальный рабочий ток и напряжение устройства. Он показывает прямое смещение SOA (безопасня рабочая область) и обратное смещение SOA, когда соединение эмиттера затвора является прямым смещением и обратным смещением соответственно.

 

 

·  Power BJT, и Power MOSFET имеют свои преимущества и недостатки.
·BJT имеют более низкие потери на проводимость в состоянии, но имеют более длительное время отключения.
· MOSFET-транзисторы имеют более высокие потери на проводимость и имеют более низкое время включения и выключения.
·Сочетание BJT и MOSFET монолитно приводит к созданию нового устройства, называемого биполярным транзистором с изолированным затвором.
· Другими названиями этого устройства являются GEMFET (Modulated Conductivity Modulated FET), COMFET (Транзистор с эффектом проводимости с проводимостью проводимости), IGT (транзистор с изолированным затвором), MOSFET с биполярным режимом, биполярный МОП-транзистор.
·Он имеет превосходные характеристики состояния, хорошую скорость переключения и отличную безопасную рабочую зону.

■В инженерном сообществе есть разногласия по поводу надлежащего изображения символа и номенклатуры IGBT.■Некоторые предпочитают рассматривать IGBT как в основном BJT с входом строба MOSFET и, следовательно, использовать модифицированный символ BJT для IGBT, как показано выше.■Некоторые предпочитают рассматривать сток и источник, а не коллектор и эмиттер, как показано ниже. Имеет три электрода: эмиттер, коллектор и затвор

 

■    Кривые характеристик рисуются для разных значений V Gs■    Когда V GS > V GS (порог) IGBT включается■    На этом рисунке V GS4 > V GS3 > V Gs2 >vgsi. Сохраняя V GSпостоянным, значение V DSизменяется и соответствующие значения ID записываются вниз.

Как показано, характеристики IGBT аналогичны BJT

■    Передаточные характеристики IGBT и MOSFET аналогичны.■   IGBT находится в выключенном состоянии, если потенциал эмиттера затвора (V GE) ниже порогового напряжения (VGE-порог)■   Для напряжений затвора, превышающих пороговое напряжение, кривая передачи является линейной.■    Максимальный ток стока ограничивается максимальным напряжением затвор-эмиттер.

 Основными преимуществами IGBT являются:

■   Хорошие возможности управления питанием■ Низкое падение напряжения прямой проводимости от 2 до 3 В, что выше, чем для BJT, но ниже, чем для MOSFET с аналогичной номинальной мощностью.■ Напряжение будет увеличиваться с температурой, без опасности термической нестабильности.■ Высокая скорость переключения.■ Низкий ток затвора.■ Относительно простой драйвер с управляемым напряжением.

 

Некоторые другие важные особенности IGBT:

■ Это силовое полупроводниковое устройство не имеет проблемы вторичной неисправности.■ Таким образом, он имеет большую безопасную рабочую зону (SOA) и низкие потери переключения■ Требуются только небольшие демпферы.■ Отсутствие внутреннего диода в IGBT. (Power MOSFET имеет паразитный диод)■ Отдельный диод должен быть добавлен, если требуется обратная проводимость.

 

Типы IGBT:

Изолированные биполярные транзисторы (IGBT) обычно подразделяются на два типа.

 (I) Без пробивки с помощью IGBT (NPT-IGBT)

(PT) Пробивание через IGBT (PT-IGBT)

 Также они называются симметричными и асимметричными IGBT. Эти разновидности биполярного транзистора отличаются друг от друга в технологии изготовления, структурных деталей и т. Д.

 Основные характеристики двух типов IGBT.

1.    Преимуществом IGBT является высокая текущая способность BJT и преимущество такого простого управления, как MOSFET. Фактически это силовое полупроводниковое устройство появилось, чтобы преодолеть недостаток транзистора и MOSFET. Симметричный IGBT (NPT-IGBT) — это один, имеющий равное прямое и обратное напряжения пробоя. Такие устройства используются в приложениях переменного тока. В структуре асимметричного IGBT (PT-IGBT) обратное напряжение пробоя меньше, чем напряжение прямого пробоя. Эти типы IGBT полезны для цепей постоянного тока, где устройство не требуется для поддержки напряжения в обратном направлении.

Характеристики переключения IGBT

С помощью вышеупомянутой упрощенной схемы мы можем понять процесс включения и выключения IGBT

Включение:

■    Напряжение V GE обычно отрицательное. Он превращается в положительное для включения IGBT.■    При увеличении напряжения на затворе увеличивается V GE. Когда V GE = V GE(lh) tok коллектора I с начинает течь.■    Время, необходимое для того, чтобы V GE поднялся и достиг V GE (lh) (или) Время для I с для начала увеличения называется «временем задержки включения tdn » .■    После V GE( lh) ток коллектора I с начинает увеличиваться. Время повышения I с и достижения его максимального значения называется временем нарастания тока (t ri).■    Когда I с достигает своего максимального значения, IGBT находится в состоянии ON. Когда устройство находится в состоянии ON, оно называется коротким, поэтому напряжение на нем равно нулю.■    Значит, когда IGBT включен, напряжение V СЕ начинает уменьшаться до значения, близкого к нулю. Здесь оно падает до значения V CES (насыщенное значение) или V СЕ (0N).■   Время, необходимое для того, чтобы напряжение V СЕ начало падать и достичь его насыщенного значения V CES, называется «временем спада напряжения (t h)».■    Поэтому время включения t 0n=t dn + tri+ tfvЭти задержки связаны с двумя причинами.■    Емкость коллектора-затвора будет увеличиваться в части MOSFET IGBT при низком V СЕ.■    Транзисторная часть PNP транзистора IGBT перемещается в состояние ON медленнее, чем часть транзистора

 

IGBT Характеристики

Выключение:

 

■   IGBT отключается путем снятия напряжения затвора.■   Когда напряжение на затворе V G уменьшается, V GE начинает падать и V СЕ начинает увеличиваться.■    Время задержки выключения (t df) — это время между V GE начинает уменьшаться и V СЕ начинает увеличиваться.■    В конце t df V СЕ начинает увеличиваться и достигает своего максимального значения. Время, необходимое для того, чтобы V СЕ поднялось и достигло своего полного значения, называется временем нарастания напряжения (t rv)■    При уменьшении V GE и достижении V GE(th) ток стока сводится к нулю.  Временный интервал t fi1 — это время спада тока. Это интервал выключения секции MOSFET IGBT.■   Здесь ток I с не равен нулю, но небольшой ток протекает из-за накопленного заряда в –n-  области дрейфа. Это внутренний ток BJT.■    Замедление тока (за счет внутреннего тока BJT) происходит в течение интервала t fi2. Это интервал выключения секции BJT IGBT.■    Время выключения Т 0ff=t df+ t rv + t fi1 + t fi2

 

Ниже приводится краткая информация о преимуществах и недостатках IGBT:

Преимущества:

■Устройство с управлением напряжением■Меньше потери состояния■Высокая частота коммутации■Нет коммутирующей цепи■Gate имеет полный контроль над работой.■Плоский температурный коэффициент

 

Недостатки :

■    Проблема статического заряда■    Более дорогостоящие, чем BJT и MOSFET

Технология биполярных транзисторов с изолированным затвором улучшается благодаря лучшей скорости переключения, более низкому падению напряжения проводимости, более высокой токовой нагрузке и более высокой надежности. Доступность этих устройств с током до 1 кА, напряжением до 2 кВ, скоростью переключения 200 нс и напряжением состояния до 2,0 В и ниже сделали эти устройства популярным в мире силовой электроники. Позволил внедрить системные решения инвертора для многих бытовых электроприборов, к примеру таких как системы кондиционирования воздуха или управления холодильником.

 

 

www.junradio.com

IGBT – транзисторы (устройство, параметры, обозначение, конструкции, применения).

IGBT— биполярный транзистор с изолированным затвором — трёхэлектродный силовой электронный прибор, используемый, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами.

По своей внутренней структуре IGBT представляет собой каскадное включение двух электронных ключей: входной ключ на полевом транзисторе управляет мощным оконечным ключом на биполярном транзисторе. Управляющий электрод называется затвором как у ПТ, два других электрода — эмиттером и коллектором как у биполярного. Такое составное включение ПТ и БТ позволяет сочетать в одном устройстве достоинства обоих типов полупроводниковых приборов.

Выпускаются как отдельные IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

Условное графическое обозначение IGBT.

Структура IGBT-транзистора.

Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку IGBT транзистор имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Транзистор также может изображаться со встроенным быстродействующим диодом. Также IGBT транзистор может изображаться следующим образом:

ПРИМЕНЕНИЕ:

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

Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение IGBT модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

IGBT применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт). IGBT используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее 20 кГц), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота — до 50 кГц).

IGBT и MOSFET занимают диапазон средних мощностей и частот, частично «перекрывая друг друга». В общем случае, для высокочастотных низковольтных каскадов наиболее подходят MOSFET, а для высоковольтных мощных — IGBT.

В некоторых случаях IGBT и MOSFET полностью взаимозаменяемы, цоколевка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12—15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения. Но «управляемый напряжением» не значит, что схеме управления не нужен источник тока. Затвор IGBT или MOSFET для управляющей схемы представляет собой конденсатор с величиной емкости, достигающей тысяч пикофарад (для мощных устройств). Драйвер затвора должен «уметь» быстро заряжать и разряжать эту емкость, чтобы гарантировать быстрое переключение транзистора.

malishev.info

Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором

Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Различают две технологии реализации IGBT транзисторов, которые поясняются эквивалентными схемами, приведенными на рис.1а, б, а для маломощных транзисторов – на рис.1, в [2]. Как следует из рис.1, IGBT транзисторы имеют три электрода: эмиттер (э), коллектор (к) и затвор (з).

Рис.1 Tехнологии реализации IGBT транзисторов

Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии.

Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано «коллектор», а где обозначен коллектор написано «эмиттер». Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=1000В, тока Iмакс≈ 25А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения Uмакс=1600В, Iмакс≈ 50А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=3500В тока Iмакс≈ 100А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:Uмакс=4500В, Iмакс≈ 150А, время переключения tпер.мин≈0.2мкс

Для входного пробивного напряжение Uвх.пр современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное Uвх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2 [1].

 

Табл.1

Тип элемента

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t=25°С

А

Iк при
t=100°С

А

Р


Вт

IRG4BC30FD

600

1,6

31

17

100

IRGBC30MD2

600

3,9

26

16

100

IRG4PC30FD

600

1,6

31

17

100

IRG4PC40FD

600

1,5

49

27

160

IRG4PC50FD

600

1,5

70

39

200

IRGPC40MD2

600

4,0

40

24

160

IRGPC50MD2

600

3,0

59

35

200

IRGPh40MD2

1200

4,5

15

9

100

IRGPh50FD2

1200

4,3

29

17

160

IRGPh50MD2

1200

4,4

31

18

160

IRGPH50FD2

1200

3,9

45

25

200

IRGPH50MD2

1200

3,9

42

23

200

OM6516SC

1000

4,0

25

125

OM6520SC

1000

4,0

25

125

 

Табл.2

Тип модуля

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t= 25°С

А

Iк при
t= 100°С

А

Р

Вт

IRGDDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGDDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGDDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGRDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGRDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGRDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGTDN200M06

600

3,0

299

119

1000

IRGTDN300M06

600

3,0

399

159

1316

Где:

  • Uкэ — Напряжение коллектор-эмиттер
  • Uкэн— Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
  • Iк — Постоянный ток коллектора
  • Р — Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения.

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения.

IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

  • Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
  • Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
  • Меньшими потери в режимах импульсных токов.
  • Практически прямоугольной областью безопасной работы.
  • Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
  • Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

 

Рис.2 Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным.

У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами.

С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А.

По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс.

Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы.

IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

Управление МОП и IGBT транзисторами

МОП и IGBT транзисторы являются полупроводниковыми приборами, управляемыми напряжением. Из обширного круга вопросов, относящихся к проблеме управления этими приборами, особый интерес представляет наиболее сложный случай управления, который имеет место в мостовой или полумостовой схеме включения с индуктивной погрузкой.

Отметим, что управление транзисторами инверторов можно осуществлять через импульсные высокочастотные трансформаторы, хотя такое управление усложняет конструкцию и принципиальную схему инвертора. Отсутствие тока потребления на управление в статических режимах и низкое общее потребление мощности затворами транзисторов позволяют отказаться от трансформаторных схем питания.

Компаниями-производителями силовых полупроводников выпускается ряд драйверов управления, которые согласовывают маломощную схему управления с выходными транзисторами верхнего и нижнего плеча силового инвертора. Выходные каскады этих драйверов выполняются, как правило, в виде двухтактных усилителей мощности на полевых транзисторах, обеспечивающих импульсный выходной ток до 2 А. Организация питания верхнего плеча инвертора осуществляется по схеме зарядного «насоса», показанной на рис. 3.

Рис.3 Схема питания верхнего плеча инвертора

Схемы формирования, гальваническая развязка и усилитель нижнего плеча драйверов получают питание от низковольтного вспомогательного источника питания Uн. При включении транзистора нижнего плеча VT2 (в первом полупериоде работы) диод VD1 открывается и заряжает накопительный конденсатор С1, в дальнейшем питающий усилитель верхнего плеча. В каждом полупериоде при открытом транзисторе VT2 конденсатор C1 подзаряжается, а при открытом транзисторе VT1 питается выходной усилитель верхнего плеча.

В последнее время фирмы-производители полупроводниковых приборов начали выпускать различные драйверы отдельных транзисторов полумостовых и мостовых схем, выдерживающие напряжение до 600 В. В качестве примера приведем наименование некоторых из этих драйверов [3]:

  • IR2125 – драйвер верхнего плеча;
  • IR2110, Н1Р25001Р, PWR 200/201– драйверы полумостового инвертора;
  • IR2130 – драйвер трехфазной мостовой схемы;
  • IR2155 – драйвер полумостового инвертора с автогенератором.

Эти драйверы надежно работают и обеспечивают оптимальные параметры в работе с МОП и IGBT транзисторами. К тому же их стоимость небольшая, а схемы инверторов требуют установки всего лишь одного драйвера и нескольких внешних компонентов.

Переключение больших токов с высокими скоростями переключения сопряжено с рядом трудностей. Для получения надежно работающих устройств основные усилия должны быть направлены на создание конструкции с минимизированными величинами паразитных индуктивностей, которые в случае не принятия специальных мер могут запасать значительное количество энергии в силовых шинах тока и вызывать нежелательные переключения силовых ключей, всплески высокого напряжения, дополнительную мощность рассеяния на силовых транзисторах, ложные срабатывания и т.д.

Микросхема драйвера IR2110 является одной из многих схем, применяемых для полумостовых высоковольтных инверторов. Полумостовой инвертор на IGBT транзисторах показан на рис. 4. Резисторы R2 и R3 служат для уменьшения скорости переключения силовых транзисторов. Дело в том, что управление затворами мощных IGBT или МОП транзисторов непосредственно от драйвера IR2110 или ему аналогичного может привести к нежелательно высоким скоростям переключения.

Реальная конструкция инвертора обладает конечными значениями величин индуктивностей соединений, на которых выделяются всплески напряжений при переключениях плеч, причем чем меньше время переключения, тем больше амплитуда всплеска. Величины резисторов R2 и R3 выбираются таким образом, чтобы фронты переключений не порождали значительных потерь и больших импульсных амплитуд, нарушающих работу инвертора.

Рис.4 Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

На входы 10 и 12 драйвера должны поступать две импульсные последовательности, причем вход 10 управляет транзистором VT1, а вход 12 – транзистором VT2. Вход 11 включает или выключает инвертор и может использоваться для защиты, то есть при подаче напряжения на вход 11 работа преобразователя прекращается.

Драйвер IR2155, позволяющий получить самую простую схему полумостового преобразователя, представляет собой монолитную интегральную схему, способную управлять двумя транзисторами в полумостовом преобразователе. Они могут работать при напряжениях питания до 600 В, имеют четкие формы выходных импульсов с коэффициентами заполнения от 0 до 99 %.

Функциональная схема драйвера IR 2151 показана на рис. 5.

Рис.5 Функциональная схема драйвера IR 2151

Драйвер содержит входную часть на операционных усилителях, которая может работать в автогенераторном режиме. Частота определяется дополнительными навесными элементами, подключаемыми к выводам C1, R1. Генераторы паузы на нуле обеспечивают задержки во включении выходного транзистора на 1 мкс после закрытия предыдущего транзистора. В канале верхнего плеча осуществляется гальваническая развязка, далее напряжение усиливается усилителем мощности на полевых транзисторах и выходное напряжение с выхода HO(7) поступает на затвор силового транзистора. Нижнее плечо работает от задающего генератора через генератор паузы на нуле и устройство задержки.

Для обеспечения стабильности работы драйвера внутри имеется стабилитрон, ограничивающий напряжение Vcc(1) на уровне 15 В.

 

Литература

  1. Short form catalog International Rectifier. Product Digest.
  2. В.И. Сенько и др. Электроника и микросхемотехника (на укр. яз.). Том 1. – К.: Обереги, 2000.
  3. М. Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – К.: МК-Прогрес, 2007.
  4. Микросхемы для импульсных источников питания – 3. – М.: Изд. дом «Додека – ХХI», 2002.

electrician.com.ua