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 GS постоянным, значение V DS изменяется 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.
