IGBT'er er de vigtigste komponenter i moderne kraftelektronik

En IGBT-transistor (forkortelse for engelsk isoleret-gate bipolær transistor) eller en isoleret gate-bipolær transistor (forkortet IGBT) er en tre-terminal halvlederenhed, der kombinerer en magt bipolær transistor og en felteffekt-transistor, der styrer den i et hus.

IGBT-transistorer er i dag de vigtigste komponenter i kraftelektronik (kraftfulde invertere, switching-strømforsyninger, frekvensomformere osv.), Hvor de fungerer som kraftfulde elektroniske switches, der skifter strømme ved frekvenser målt i titalls og hundreder af kilohertz. Transistorer af denne type fremstilles både i form af separate komponenter og i form af specialiserede effektmoduler (samlinger) til styring af trefasekredsløb.

Det faktum, at IGBT-transistoren inkluderer to typer transistorer på én gang (inkluderet i et kaskadekredsløb) giver dig mulighed for at kombinere fordelene ved to teknologier i en halvlederenhed.

En bipolær transistor som en krafttransistor giver dig mulighed for at få en større driftsspænding, mens kanalmodstanden i åben tilstand er proportional med strømmen i den første grad og ikke til kvadratet af strømmen som konventionelle felteffekttransistorer. Og det faktum, at det er felteffekttransistoren, der bruges som kontroltransistor reducerer strømforbruget til nøglekontrol til et minimum.

 

Navnene på elektroderne kendetegner strukturen af ​​IGBT-transistoren: kontrolelektroden kaldes porten (som en felteffekttransistor), og elektroderne i kraftkanalen kaldes samleren og emitteren (som en bipolær transistor).

Lidt historie

Historisk set blev bipolære transistorer brugt på lige fod. med tyristorer som el-elektroniske taster indtil 90'erne. Men ulemperne ved bipolære transistorer var altid indlysende: en stor basestrøm, langsom nedlukning og overophedning af krystallen, en stærk temperaturafhængighed af hovedparametrene og en begrænset opsamler-emitter mætningspænding.

Felteffekttransistorer (MOS-strukturer), der senere optrådte, ændrede øjeblikkeligt situationen til det bedre: spændingskontrol kræver ikke længere så store strømme, switchens parametre er svagt afhængige af temperaturen, transistorens driftsspænding er ikke begrænset nedenunder, kraftkanalens lave modstand i åben tilstand udvider området for driftsstrømme, koblingsfrekvensen kan let nå hundreder af kilohertz, derudover er felteffekttransistorers evne til at modstå stærke dynamiske belastninger ved høje driftsspændinger bemærkelsesværdigt.

Da styringen af ​​en felteffekttransistor er meget enklere og mere kraftfuld end en bipolar en, er der en restriktiv en inde. diode, - felteffekttransistorer vandt straks popularitet i højfrekvente skiftespændingsomformere såvel som i klasse D akustiske forstærkere.

Vladimir Dyakonov

Den første kraftfelteffekttransistor blev udviklet af Viktor Bachurin tilbage i Sovjetunionen i 1973, hvorefter den blev undersøgt under overvågning af videnskabsmand Vladimir Dyakonov. Undersøgelser af Dyakonov-gruppen vedrørende nøgleegenskaber for en kraftfelteffekttransistor førte til udviklingen i 1977 af en sammensat transistorkontakt, hvori en bipolær transistor blev styret af en felteffektafbryder med en isoleret port.

Forskere har vist effektiviteten af ​​denne fremgangsmåde, når strømmenhedens aktuelle egenskaber bestemmes af en bipolær transistor, og kontrolparametrene bestemmes af feltfeltet. Desuden fjernes mætning af den bipolære transistor, hvilket betyder, at forsinkelsen, når den er slukket, reduceres. Dette er en vigtig fordel ved enhver tændingsnøgle.

Sovjetiske forskere opnåede copyright-certifikat nr. 757051 "Pobistor" for en ny type halvlederenhed. Dette var den første struktur, der indeholdt en kraftig bipolær transistor i et hus, og ovenpå var en kontrolfelt-effekttransistor med en isoleret port.

Hvad angår industriel implementering, patenterede allerede i 1983 Intarnational Rectifier den første IGBT-transistor. Og to år senere blev der udviklet en IGBT-transistor med en flad struktur og en højere driftsspænding. Dette blev gjort samtidig i laboratorierne i to virksomheder - General Electric og RCA.

De første versioner af bipolære transistorer med isoleret port havde en stor ulempe - langsom skift. Navnet IGBT blev vedtaget i 90'erne, da den anden og tredje generation af IGBT-transistorer blev oprettet. Så var disse mangler væk.

Særlige fordele ved IGBT'er

Sammenlignet med konventionelle felteffekttransistorer har IGBT'er højere inputimpedans og lavere effekt, der bruges på portkontrol.

I modsætning til bipolære transistorer er der en lavere restspænding, når den er tændt. Tab i åben tilstand, selv ved høje driftsspændinger og -strømme, er ret lille. I dette tilfælde er konduktiviteten ligesom en bipolær transistor, og nøglen styres af spænding.

Området for driftsspændingsopsamler-emitter for de mest tilgængelige modeller varierer fra titusind volt til 1200 eller flere volt, mens strømme kan nå op til 1000 eller flere ampere. Der er samlinger for hundreder og tusinder af volt i spænding og strømme på hundreder af ampere.

Det antages, at felteffekttransistorer er bedre egnet til driftsspændinger op til 500 volt, og IGBT-transistorer er velegnede til spændinger større end 500 volt og strømme større end 10 ampere, da lavere kanalmodstand i åben tilstand er ekstremt vigtig ved lavere spændinger.

IGBT-transistorer

Den vigtigste anvendelse af IGBT-transistorer findes i vekselrettere, koblingsspændingsomformere og frekvensomformere (for eksempel halvbromodulet SKM 300GB063D, 400A, 600V) - hvor der er højspænding og betydelig strøm.

Svejseomformere - et separat vigtigt anvendelsesområde for IGBT-transistorer: høj strøm, effekt mere end 5 kW og frekvenser op til 50 kHz (IRG4PC50UD - klassikeren af ​​genren, 27A, 600V, op til 40 kHz).

Du kan ikke undvære IGBT på elektrisk bytransport: med tyristorer viser trækkraftmotorer lavere effektivitet end med IGBT, desuden opnår IGBT en jævnere kørsel og en god kombination med regenerative bremsesystemer selv ved høje hastigheder.

Der er intet bedre end IGBT, når du skal skifte ved høje spændinger (mere end 1000 V) eller styre et frekvensomformer (frekvenser op til 20 kHz).

På nogle kredsløb er IGBT- og MOSFET-transistorer fuldstændigt udskiftelige, da deres pinout er ens, og kontrolprincipperne er identiske. Portene i dette og i det andet tilfælde repræsenterer en kapacitet på op til nanofarad-enheder med en opladningsopladning, som driveren, der er installeret på et sådant kredsløb, let kan håndtere og giver tilstrækkelig kontrol.

Se også:Power MOSFET og IGBT transistorer, forskelle og funktioner i deres anvendelse