IGBT-er er hovedkomponentene i moderne kraftelektronikk

En IGBT-transistor (forkortelse for engelsk isolert-gate bipolar transistor) eller en isolert gate-bipolar transistor (forkortet IGBT) er en tre-terminal halvlederenhet som kombinerer en kraft bipolar transistor og en felt-effekt transistor som kontrollerer den inne i ett hus.

IGBT-transistorer er i dag hovedkomponentene i kraftelektronikk (kraftige omformere, svitsjende strømforsyninger, frekvensomformere osv.), Der de fungerer som kraftige elektroniske brytere som bytter strøm ved frekvenser målt i titalls og hundrevis av kilohertz. Transistorer av denne typen produseres både i form av separate komponenter, og i form av spesialiserte kraftmoduler (enheter) for styring av trefasekretser.

Det faktum at IGBT-transistoren inkluderer transistorer av to typer samtidig (kaskader), lar deg kombinere fordelene med to teknologier i en halvlederenhet.

En bipolar transistor som en krafttransistor lar deg få en større driftsspenning, mens kanalmotstanden i åpen tilstand er proporsjonal med strømmen i første grad, og ikke til kvadratet til strømmen som konvensjonelle felteffekttransistorer. Og det faktum at det er en felteffekttransistor som brukes som en kontrolltransistor minimerer strømforbruket for nøkkelkontroll.

 

Navnene på elektrodene kjennetegner strukturen til IGBT-transistoren: kontrollelektroden kalles porten (som en felteffekttransistor), og elektrodene til kraftkanalen kalles samleren og emitteren (som en bipolar transistor).

Litt historie

Historisk har bipolare transistorer blitt brukt på lik linje. med tyristorer som elektroniske strømnøkler til 90-tallet. Men ulempene med bipolare transistorer var alltid åpenbare: en stor basestrøm, langsom avstengning og overoppheting av krystallen, en sterk temperaturavhengighet av hovedparametrene og en begrenset samler-emitter metningsspenning.

Felteffekttransistorer (MOS-strukturer) som dukket opp senere endret umiddelbart situasjonen til det bedre: spenningskontroll krever ikke lenger så store strømmer, parameterne til bryteren er svakt avhengig av temperatur, transistorens driftsspenning er ikke begrenset nedenfra, den lave motstanden til kraftkanalen i åpen tilstand utvider rekkevidden av driftsstrømmer, svitsjefrekvensen kan lett nå hundrevis av kilohertz, i tillegg er muligheten til felteffekttransistorer til å motstå sterke dynamiske belastninger ved høye driftsspenninger bemerkelsesverdig.

Siden kontrollen av en felteffekttransistor implementeres mye enklere og det viser seg i form av kraft mye enklere enn en bipolar en, og dessuten er det en restriktiv en inni diode, - felteffekttransistorer vant umiddelbart popularitet i høyfrekvente svitsjespenningsomformere, så vel som i klasse D akustiske forsterkere.

Vladimir Dyakonov

Den første kraftfelteffekttransistoren ble utviklet av Viktor Bachurin tilbake i Sovjetunionen, i 1973, hvoretter den ble undersøkt under tilsyn av forsker Vladimir Dyakonov. Undersøkelser fra Dyakonov-gruppen angående nøkkelegenskapene til en kraftfelteffekttransistor førte til utviklingen i 1977 av en sammensatt transistorbryter, hvori en bipolar transistor ble kontrollert av en felteffektbryter med en isolert gate.

Forskere har vist effektiviteten av denne tilnærmingen når strømdelens gjeldende egenskaper bestemmes av en bipolar transistor, og kontrollparametrene bestemmes av feltfeltet. Dessuten elimineres metningen av den bipolare transistoren, noe som betyr at forsinkelsen når den slås av reduseres. Dette er en viktig fordel med en hvilken som helst strømnøkkel.

På en halvlederenhet av en ny type, oppnådde sovjetiske forskere opphavsrettssertifikat nr. 757051 “Pobistor”. Dette var den første strukturen som inneholdt en kraftig bipolar transistor i ett hus, på toppen av det var det en kontrollfelt-effekttransistor med en isolert port.

Når det gjelder industriell implementering, patenterte Intarnational Rectifier allerede i 1983 den første IGBT-transistoren. Og to år senere ble en IGBT-transistor med flat struktur og høyere driftsspenning utviklet. Dette ble gjort samtidig i laboratoriene til to selskaper - General Electric og RCA.

De første versjonene av bipolare transistorer med isolert gate hadde en stor ulempe - langsom veksling. Navnet IGBT ble adoptert på 90-tallet, da den andre og tredje generasjon av IGBT-transistorer ble opprettet. Da var disse manglene borte.

Karakteristiske fordeler med IGBT-er

Sammenlignet med konvensjonelle felteffekttransistorer, har IGBT-er høyere inngangsimpedans og lavere effekt som brukes på portkontroll.

I motsetning til bipolare transistorer, er det en lavere restspenning når den er på. Tap i åpen tilstand, selv ved høye driftsspenninger og strømmer, er ganske små. I dette tilfellet er konduktiviteten som en bipolar transistor, og nøkkelen styres av spenning.

Området for driftsspenningssamler-emitter for mest tilgjengelige modeller varierer fra titalls volt til 1200 eller flere volt, mens strømmer kan nå opp til 1000 eller flere ampere. Det er samlinger for hundrevis og tusenvis av volt i spenning og strømmer på hundrevis av ampere.

Det antas at felteffekttransistorer er bedre egnet for driftsspenninger opp til 500 volt, og IGBT-transistorer er egnet for spenninger større enn 500 volt og strømmer større enn 10 ampere, siden lavere kanalmotstand i åpen tilstand er ekstremt viktig ved lavere spenninger.

IGBT-transistorer

Hovedapplikasjonen til IGBT-transistorer finnes i omformere, svitsjespenningskonverterere og frekvensomformere (for eksempel halvbromodulen SKM 300GB063D, 400A, 600V) - der det er høyspenning og betydelig kraft.

Sveiseomformere - et eget viktig bruksområde for IGBT-transistorer: høy strøm, kraft mer enn 5 kW og frekvenser opp til 50 kHz (IRG4PC50UD - klassiker av sjangeren, 27A, 600V, opp til 40 kHz).

IGBT kan ikke dispenseres i elektrisk bytransport: med tyristorer har trekkmotorer lavere effektivitet enn med IGBT, dessuten oppnår IGBT en jevnere kjøretur og en god kombinasjon med regenerative bremsesystemer selv i høye hastigheter.

Det er ingenting bedre enn IGBT når du trenger å bytte ved høye spenninger (mer enn 1000 V) eller styre en frekvensomformer (frekvenser opp til 20 kHz).

På noen kretsløp er IGBT- og MOSFET-transistorer fullstendig utskiftbare, siden ledningene deres er like, og kontrollprinsippene er identiske. Portene i dette og i det andre tilfellet representerer en kapasitet på opptil nanofarad-enheter, med en ladeholdende lading som driveren installert på en slik krets lett kan håndtere og gir tilstrekkelig kontroll.

Se også:Kraft MOSFET og IGBT transistorer, forskjeller og funksjoner i deres applikasjon