IGBT paaiškinimas: struktūra, veikimo principas, tipai, charakteristikos ir pritaikymas

Izoliuotų vartų bipolinis tranzistorius (IGBT) tapo pagrindiniu šiuolaikinės galios elektronikos komponentu, siūlančiu efektyvią didelės srovės galimybių, efektyvaus perjungimo ir paprasto įtampos valdymo pusiausvyrą. Sujungdamas MOSFET vartų elgseną su bipoliniu laidumu, jis palaiko sudėtingas galios konvertavimo programas – nuo pramoninių pavarų iki atsinaujinančios energijos keitiklių, išlaikant patikimą veikimą plačiame veikimo diapazone.

IGBT apžvalga

Izoliuotų vartų bipolinis tranzistorius (IGBT) yra didelio efektyvumo, didelės galios puslaidininkinis įtaisas, naudojamas greitam ir kontroliuojamam perjungimui vidutinės ir didelės galios sistemose. Jis veikia kaip įtampos valdomas jungiklis, leidžiantis valdyti dideles kolektoriaus sroves naudojant minimalią vartų pavaros galią.

Dėl savo gebėjimo valdyti aukštą įtampą, didelę srovę ir efektyvų perjungimą, IGBT yra plačiai naudojamas tokiose srityse kaip variklių pavaros, keitikliai, atsinaujinančios energijos sistemos, traukos pavaros ir galios keitikliai.

IGBT vidinė struktūra

IGBT sujungia du vidinius elementus:

• MOSFET įvesties pakopa vartų valdomam kanalų formavimui

• Bipolinė išėjimo pakopa, užtikrinanti stiprų laidumą ir žemą įtampą

Puslaidininkinė struktūra paprastai atitinka P⁺ / N⁻ / P / N⁺ konfigūraciją. Kai įjungiama vartų įtampa, MOSFET dalis sudaro inversijos kanalą, leidžiantį nešėjams patekti į dreifo sritį. Tada bipolinė dalis pagerina laidumą per laidumo moduliaciją, o tai žymiai sumažina būsenos nuostolius, palyginti su vien MOSFET.

Kaip veikia IGBT?

IGBT veikia pereinant tarp OFF, ON ir išjungimo būsenų pagal vartų-emiterio įtampą (VGE):

• OFF būsena (VGE = 0 V)

Neįjungus vartų įtampos, nesusidaro MOSFET kanalas. J2 sankryža išlieka atvirkštinė, neleidžianti nešėjui judėti per įrenginį. IGBT blokuoja kolektoriaus-emiterio įtampą ir praleidžia tik mažą nuotėkio srovę.

• ON State (VGE > VGET)

Taikant vartų įtampą, N⁻ paviršiuje sukuriamas inversijos kanalas, leidžiantis elektronams patekti į dreifo sritį. Tai sukelia skylių srautą iš kolektoriaus pusės, įgalinant laidumo moduliaciją, kuri žymiai sumažina prietaiso vidinę varžą ir leidžia aukštai srovei praeiti esant žemos įtampos kritimui.

• Išjungimo procesas

Pašalinus vartų įtampą, MOS kanalas sutraukiamas ir sustabdomas tolesnis nešiklio įpurškimas. Sukauptas krūvis dreifo srityje pradeda rekombinuotis, todėl išsijungimas yra lėtesnis nei MOSFET dėl bipolinio laidumo pobūdžio. Kai nešikliai išsisklaido, J2 sankryža vėl tampa atvirkštinė ir įrenginys grįžta į blokavimo būseną.

IGBT rūšys

Perforuotas IGBT (PT-IGBT)

"Punch-Through" IGBT integruoja n⁺ buferinį sluoksnį tarp kolektoriaus ir dreifo srities. Šis buferinis sluoksnis sutrumpina nešiklio tarnavimo laiką, todėl įrenginys gali greičiau persijungti ir sumažinti uodegos srovę išjungimo metu.

• Apima n⁺ buferio sluoksnį, kuris pagerina perjungimo greitį

• Greitas perjungimas, mažesnis tvirtumas dėl mažesnio konstrukcijos storio

• Naudojamas aukšto dažnio programose, tokiose kaip SMPS, UPS keitikliai ir variklių pavaros, veikiančios aukštesniuose perjungimo diapazonuose

PT-IGBT pirmenybė teikiama ten, kur perjungimo efektyvumas ir kompaktiškas įrenginio dydis yra svarbesni nei didelis atsparumas gedimams.

Neperforuotas IGBT (NPT-IGBT)

Neperforuotas IGBT pašalina n⁺ buferinį sluoksnį, remdamasis simetriška ir storesne dreifo sritimi. Šis struktūrinis skirtumas suteikia įrenginiui puikų patvarumą ir temperatūrą, todėl jis yra patikimesnis sudėtingomis sąlygomis.

• Nėra n⁺ buferinio sluoksnio, todėl elektrinis laukas pasiskirsto tolygiai

• Geresnis tvirtumas ir temperatūros stabilumas, ypač esant aukštai sankryžos temperatūrai

• Tinka pramoninei ir atšiauriai aplinkai, įskaitant traukos pavaras, suvirinimo aparatus ir prie tinklo prijungtus keitiklius

NPT-IGBT puikiai tinka tais atvejais, kai ilgalaikis patikimumas ir šiluminė patvarybė yra labai svarbūs.

IGBT V–I charakteristikos

IGBT veikia kaip įtampos valdomas įtaisas, kuriame kolektoriaus srovę (IC) reguliuoja vartų-emiterio įtampa (VGE). Skirtingai nuo BJT, jam nereikia nuolatinės bazinės srovės; vietoj to, laidumui nustatyti pakanka nedidelio vartų krūvio.

Pagrindinės charakteristikos

• VGE = 0 → Įrenginys išjungtas: nesusidaro kanalas, todėl teka tik maža nuotėkio srovė.

• Nedidelis VGE padidėjimas (< VGET) → Minimalus nuotėkis: prietaisas lieka ribinėje srityje, o IC išlieka labai žemas. • VGE > VGET → įrenginys įsijungia: viršijus slenkstinę įtampą, nešikliai pradeda tekėti, o IC greitai kyla.

• Srovė teka tik iš kolektoriaus į emiterį: Kadangi konstrukcija yra asimetriška, atvirkštiniam laidumui reikalingas išorinis diodas.

• Didesnės VGE vertės padidina IC: Tam pačiam VCE didesnė vartų įtampa (VGE1 < VGE2 < VGE3...) sukuria didesnes IC vertes, sudarydamas išėjimo kreivių šeimą. Tai leidžia IGBT valdyti skirtingas apkrovos sroves, reguliuojant vartų pavaros stiprumą. 5.1 Perdavimo charakteristikos Perdavimo charakteristika apibūdina, kaip IC kinta priklausomai nuo VGE esant fiksuotai kolektoriaus-emiterio įtampai. • VGE < VGET → OFF būsena: prietaisas lieka ribinėje padėtyje, o IC yra nereikšmingas. • VGE > VGET → Aktyvioji laidumo sritis: IC didėja beveik tiesiškai su VGE, panašus į MOSFET vartų valdymo elgesį.

Šios kreivės nuolydis taip pat rodo prietaiso laidumą, kuris turi įtakos perjungimo ir laidumo veikimui.

Perjungimo charakteristikos

IGBT perjungimas susideda iš įjungimo ir išjungimo, kiekvienas iš jų apima skirtingus laiko intervalus, kuriuos lemia vidinis įkrovimo judėjimas.

Įjungimo laikas apima:

• Delsos laikas (tdn): intervalas nuo vartų signalo pakilimo iki taško, kai IC padidėja nuo nuotėkio lygio iki maždaug 10% galutinės vertės. Tai reiškia laiką, reikalingą vartams įkrauti ir kanalo formavimui pradėti.

• Pakilimo laikas (tr): laikotarpis, per kurį IC padidėja nuo 10% iki visiško laidumo, o VCE tuo pačiu metu nukrenta iki žemos ON būsenos vertės. Ši fazė atspindi greitą nešiklio injekciją ir kanalo patobulinimą.

Todėl:

tON=tdn+tr

IGBT taikymas

• Kintamosios ir nuolatinės srovės variklių pavaros: naudojamos variklio greičiui ir sukimo momentui valdyti pramoninėse mašinose, kompresoriuose, siurbliuose ir automatikos sistemose.

• UPS (nepertraukiamo maitinimo šaltinio) sistemos: užtikrina efektyvią energijos konversiją, leidžiančią švariai perjungti elektros tinklą ir atsarginį maitinimą, tuo pačiu sumažinant energijos nuostolius.

• SMPS ir didelės galios keitikliai: valdykite aukštos įtampos perjungimą perjungiamojo režimo maitinimo šaltiniuose, pagerindami efektyvumą ir sumažindami šilumos gamybą.

• Elektromobiliai ir traukos pavaros: užtikrina kontroliuojamą elektromobilių variklių, įkrovimo įrenginių ir regeneracinių stabdžių sistemų galią.

• Indukcinės šildymo sistemos: įgalina aukšto dažnio perjungimą, reikalingą kontroliuojamam šildymui pramoniniame apdirbime ir metalo apdorojime.

• Saulės ir vėjo energijos keitikliai: konvertuokite nuolatinę srovę iš atsinaujinančių šaltinių į kintamąją, kad galėtumėte prijungti prie tinklo, išlaikydami stabilią galią esant įvairioms apkrovoms.

Galimi IGBT paketai

IGBT siūlomi kelių tipų paketai, atitinkantys našumo ir šiluminius reikalavimus.

Kiaurymių pakuotės

• IKI-262

• IKI-251

• TO-273

• IKI-274

• IKI-220

• IKI-220-3 FP

• TO-247

• IKI-247AD

Paviršiaus montavimo paketai

• TO-263

• IKI-252

IGBT privalumai ir trūkumai

Argumentai "už"

• Didelės srovės ir įtampos pajėgumas

• Labai didelė įėjimo varža

• Maža vartų pavaros galia

• Paprastas vartų valdymas (teigiamas ON; nulis/neigiamas OFF)

• Mažas laidumo praradimas būsenoje

• Didelis srovės tankis, mažesnis lusto dydis

• Didesnis galios padidėjimas nei MOSFET ir BJT

• Perjungimas greičiau nei BJT

Minusai

• Lėtesnis perjungimas nei MOSFET

• Negali praleisti atvirkštinės srovės

• Ribota atbulinės eigos blokavimo galimybė

• Didesnė kaina

• Galimas užraktas dėl PNPN struktūros

IGBT vs MOSFET vs BJT palyginimas

Išvada

IGBT išlieka naudingi sistemose, kurioms reikalingas efektyvus, kontroliuojamas ir didelės galios perjungimas. Jų hibridinė struktūra užtikrina stiprų laidumą, valdomą vartų pavarą ir patikimą veikimą įvairiose srityse – nuo variklių pavarų iki energijos keitimo įrangos. Nors jie nėra tokie greiti kaip MOSFET, dėl savo tvirtumo ir srovės stiprumo jie yra tinkamiausias pasirinkimas daugeliui vidutinės ir didelės galios konstrukcijų.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

Dėl ko IGBT sugenda didelės galios programose?

IGBT dažniausiai sugenda dėl per didelio karščio, viršįtampio šuolių, netinkamo vartų pavaros lygio ar pakartotinio trumpojo jungimo įtempio. Nepakankamas aušinimas arba prasta perjungimo konstrukcija pagreitina šiluminį degradaciją, o didelis dv/dt arba netinkamos snubber grandinės gali sukelti destruktyvų įtampos viršijimą.

Kaip pasirinkti tinkamą keitiklio sistemos IGBT?

Pagrindiniai pasirinkimo veiksniai yra įtampa (paprastai 1,5× nuolatinės srovės magistralės), srovė su šilumine riba, perjungimo dažnio apribojimai, vartų įkrovimo reikalavimai ir paketo šiluminė varža. Prietaiso perjungimo greičio ir nuostolių pritaikymas keitiklio dažniui užtikrina maksimalų efektyvumą ir patikimumą.

Ar IGBT reikalingos specialios vartų tvarkyklės grandinės?

Taip. IGBT reikia vartų tvarkyklių, galinčių užtikrinti kontroliuojamą vartų įkrovimą, reguliuojamą įjungimo / išjungimo greitį ir apsaugos funkcijas, tokias kaip desaturacijos aptikimas ir Millerio spaustukas. Tai padeda išvengti klaidingo įjungimo, sumažina perjungimo nuostolius ir apsaugo įrenginį nuo viršsrovių ar viršįtampių.

Kuo IGBT skiriasi nuo MOSFET energijos vartojimo efektyvumo požiūriu?

MOSFET yra efektyvesni esant aukštiems perjungimo dažniams, nes išjungimo metu jie neturi uodegos srovės. Tačiau IGBT siūlo mažesnius laidumo nuostolius esant aukštai įtampai ir didelei srovei, todėl jie yra efektyvesni vidutinio dažnio, didelės galios programose, tokiose kaip variklių pavaros ir traukos sistemos.

Kas yra IGBT terminis nutekėjimas ir kaip jo išvengti?

Šiluminis nutekėjimas atsiranda, kai didėjant temperatūrai sumažėja prietaiso varža, todėl padidėja srovė ir toliau kyla temperatūra. Prevencija apima tinkamą šilumos nuskendimą, tinkamo oro srauto užtikrinimą, stipraus šiluminio stabilumo IGBT pasirinkimą ir vartų pavaros bei perjungimo sąlygų optimizavimą, kad būtų sumažintas energijos išsklaidymas.