Биполярный транзистор с изолированным затвором

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor), а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.

IGBT транзистор - это гибрид полевого и биполярного транзистора, который унаследовал положительные качества  как полевого транзистора, так и биполярного.

Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют конечным током. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.

 
Рис. Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком, открывается полевой транзистор,  образуется n - канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток. Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Основное назначение дополнительного р-n-перехода (который является эмиттерным переходом для биполярного транзисто­ра Т) состоит в инжекции дырок в нижний слой n-типа. Инжекция значительно уменьшает сопротивление этого слоя. В результате напряжение и_кэ между коллектором и эмиттером IGBT в открытом состоянии значительно уменьшается по сравнению с соответствующим полевым транзистором. Именно меньшее напряжение в открытом состоянии является основным преимуществом IGBT по сравнению с полевым транзистором.

При подаче от генератора управляющего импульса (рис. 2.1.34, а) через затворный резистор R_g начинает заряжаться входная емкость внутреннего полевого транзистора (рис. 2.1.34, б)_у но напряжение «коллектор-эмиттер» (рис. 2.1.34, в) не уменьшается и ток в цепи «коллектор—эмиттер» пока не начинает течь.

Участок (1), носящий название времени задержки включения (turn-on delay time) продолжается до тех пор, пока напряжение U_ge не достигнет напряжения открывания внутреннего полевого транзистора. На участке (2) происходит перезаряд емкости Миллера и открывание транзистора. Время, затрачиваемое на этот процесс, носит название времени нарастания (rise time). В цепи «коллектор—эмиттер» появляется ток. На участке (3) происходит заряд входной емкости до напряжения U_g, на участке (4) транзистор IGBT полностью открыт. Открытое состояние транзистора может продолжаться неограниченно долго — пока не будет подан на затвор закрывающий импульс.

Выключение транзистора (перевод в режим отсечки) начинается на участке (5), когда напряжение на затворе снижается до порогового уровня за время задержки выключения (turn-off delay time) без отличий поведения IGBT транзистора от транзистора MOSFET.

В начале участка (6), когда проявляется процесс увеличения напряжения (рис. 2.1.34, в), ток коллектора какое-то время сохраняет свое значение из-за протекания процесса рассасывания неосновных носителей, затем резко спадает почти до нуля, что занимает промежуток времени, называемый временем спада (fall time). Однако на этом процесс выключения транзистора не заканчивается, поскольку внутренние процессы рекомбинации неосновных носителей еще продолжаются. На участках (7) и (8), показанных на рис. 2.1.34, г), наблюдается «токовый хвост», характеризуемый непериодическими колебаниями коллекторного тока. Динамические свойства IGBT приборов определяются их биполярной составляющей, а не полевой. Перегружать IGBT транзистор по напряжению «коллектор—эмиттер» не допускается, но по току он выдерживает в среднем 5…10-кратные кратковременные (неповторяющиеся) перегрузки. Область безопасной работы IGBT приборов определяется максимальной температурой полупроводникового кристалла, типовое значение Tj которого составляет 150 °С.

Поведение IGBT в динамических режимах в первую очередь зависит от значения емкостей затвора, а также внутреннего и внешнего импеданса цепи управления. 

Для автоматизации процесса выбора драйверов имеются программы типа DriverSEL, позволяющие определить все необходимые параметры.

 

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор - З (управляющий электрод), эмиттер ( Э ) и коллектор ( К ).

   

Рис. Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.

Отличительные качества IGBT:

-Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);

-Имеет низкие потери в открытом состоянии;

-Может работать при температуре более 100⁰C;

-Устойчив к короткому замыканию нагрузки. Если после возникновения режима короткого замыкания транзистор своевременно выключить, он не потеряет работо­способность

-Способен работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.

 

Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока, в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: