IGBT силовые транзисторы International Rectifier шестого поколения. Схема igbt транзистора

Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором

Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Различают две технологии реализации IGBT транзисторов, которые поясняются эквивалентными схемами, приведенными на рис.1а, б, а для маломощных транзисторов – на рис.1, в [2]. Как следует из рис.1, IGBT транзисторы имеют три электрода: эмиттер (э), коллектор (к) и затвор (з).

Рис.1 Tехнологии реализации IGBT транзисторов

Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии.

Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано "коллектор", а где обозначен коллектор написано "эмиттер". Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=1000В, тока Iмакс≈ 25А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения Uмакс=1600В, Iмакс≈ 50А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=3500В тока Iмакс≈ 100А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:Uмакс=4500В, Iмакс≈ 150А, время переключения tпер.мин≈0.2мкс

Для входного пробивного напряжение Uвх.пр современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное Uвх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2 [1].

 

Табл.1
Тип элемента	Uкэ В	Uкэн В	Iк приt=25°С А	Iк приt=100°С А	Р Вт
IRG4BC30FD	600	1,6	31	17	100
IRGBC30MD2	600	3,9	26	16	100
IRG4PC30FD	600	1,6	31	17	100
IRG4PC40FD	600	1,5	49	27	160
IRG4PC50FD	600	1,5	70	39	200
IRGPC40MD2	600	4,0	40	24	160
IRGPC50MD2	600	3,0	59	35	200
IRGPh40MD2	1200	4,5	15	9	100
IRGPh50FD2	1200	4,3	29	17	160
IRGPh50MD2	1200	4,4	31	18	160
IRGPH50FD2	1200	3,9	45	25	200
IRGPH50MD2	1200	3,9	42	23	200
OM6516SC	1000	4,0	–	25	125
OM6520SC	1000	4,0	–	25	125

 

Табл.2
Тип модуля	Uкэ В	Uкэн В	Iк приt= 25°С А	Iк приt= 100°С А	Р Вт
IRGDDN300M06	600	3,0	399	159	1563
IRGDDN400M06	600	3,0	599	239	1984
IRGDDN600M06	600	3,7	799	319	2604
IRGRDN300M06	600	3,0	399	159	1563
IRGRDN400M06	600	3,0	599	239	1984
IRGRDN600M06	600	3,7	799	319	2604
IRGTDN200M06	600	3,0	299	119	1000
IRGTDN300M06	600	3,0	399	159	1316

Где:

• Uкэ - Напряжение коллектор-эмиттер
• Uкэн- Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
• Iк - Постоянный ток коллектора
• Р - Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения.

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения.

IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

• Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
• Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
• Меньшими потери в режимах импульсных токов.
• Практически прямоугольной областью безопасной работы.
• Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
• Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

 

Рис.2 Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным.

У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами.

С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А.

По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс.

Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы.

IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

Управление МОП и IGBT транзисторами

МОП и IGBT транзисторы являются полупроводниковыми приборами, управляемыми напряжением. Из обширного круга вопросов, относящихся к проблеме управления этими приборами, особый интерес представляет наиболее сложный случай управления, который имеет место в мостовой или полумостовой схеме включения с индуктивной погрузкой.

Отметим, что управление транзисторами инверторов можно осуществлять через импульсные высокочастотные трансформаторы, хотя такое управление усложняет конструкцию и принципиальную схему инвертора. Отсутствие тока потребления на управление в статических режимах и низкое общее потребление мощности затворами транзисторов позволяют отказаться от трансформаторных схем питания.

Компаниями-производителями силовых полупроводников выпускается ряд драйверов управления, которые согласовывают маломощную схему управления с выходными транзисторами верхнего и нижнего плеча силового инвертора. Выходные каскады этих драйверов выполняются, как правило, в виде двухтактных усилителей мощности на полевых транзисторах, обеспечивающих импульсный выходной ток до 2 А. Организация питания верхнего плеча инвертора осуществляется по схеме зарядного "насоса", показанной на рис. 3.

Рис.3 Схема питания верхнего плеча инвертора

Схемы формирования, гальваническая развязка и усилитель нижнего плеча драйверов получают питание от низковольтного вспомогательного источника питания Uн. При включении транзистора нижнего плеча VT2 (в первом полупериоде работы) диод VD1 открывается и заряжает накопительный конденсатор С1, в дальнейшем питающий усилитель верхнего плеча. В каждом полупериоде при открытом транзисторе VT2 конденсатор C1 подзаряжается, а при открытом транзисторе VT1 питается выходной усилитель верхнего плеча.

В последнее время фирмы-производители полупроводниковых приборов начали выпускать различные драйверы отдельных транзисторов полумостовых и мостовых схем, выдерживающие напряжение до 600 В. В качестве примера приведем наименование некоторых из этих драйверов [3]:

• IR2125 – драйвер верхнего плеча;
• IR2110, Н1Р25001Р, PWR 200/201– драйверы полумостового инвертора;
• IR2130 – драйвер трехфазной мостовой схемы;
• IR2155 – драйвер полумостового инвертора с автогенератором.

Эти драйверы надежно работают и обеспечивают оптимальные параметры в работе с МОП и IGBT транзисторами. К тому же их стоимость небольшая, а схемы инверторов требуют установки всего лишь одного драйвера и нескольких внешних компонентов.

Переключение больших токов с высокими скоростями переключения сопряжено с рядом трудностей. Для получения надежно работающих устройств основные усилия должны быть направлены на создание конструкции с минимизированными величинами паразитных индуктивностей, которые в случае не принятия специальных мер могут запасать значительное количество энергии в силовых шинах тока и вызывать нежелательные переключения силовых ключей, всплески высокого напряжения, дополнительную мощность рассеяния на силовых транзисторах, ложные срабатывания и т.д.

Микросхема драйвера IR2110 является одной из многих схем, применяемых для полумостовых высоковольтных инверторов. Полумостовой инвертор на IGBT транзисторах показан на рис. 4. Резисторы R2 и R3 служат для уменьшения скорости переключения силовых транзисторов. Дело в том, что управление затворами мощных IGBT или МОП транзисторов непосредственно от драйвера IR2110 или ему аналогичного может привести к нежелательно высоким скоростям переключения.

Реальная конструкция инвертора обладает конечными значениями величин индуктивностей соединений, на которых выделяются всплески напряжений при переключениях плеч, причем чем меньше время переключения, тем больше амплитуда всплеска. Величины резисторов R2 и R3 выбираются таким образом, чтобы фронты переключений не порождали значительных потерь и больших импульсных амплитуд, нарушающих работу инвертора.

Рис.4 Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

На входы 10 и 12 драйвера должны поступать две импульсные последовательности, причем вход 10 управляет транзистором VT1, а вход 12 – транзистором VT2. Вход 11 включает или выключает инвертор и может использоваться для защиты, то есть при подаче напряжения на вход 11 работа преобразователя прекращается.

Драйвер IR2155, позволяющий получить самую простую схему полумостового преобразователя, представляет собой монолитную интегральную схему, способную управлять двумя транзисторами в полумостовом преобразователе. Они могут работать при напряжениях питания до 600 В, имеют четкие формы выходных импульсов с коэффициентами заполнения от 0 до 99 %.

Функциональная схема драйвера IR 2151 показана на рис. 5.

Рис.5 Функциональная схема драйвера IR 2151

Драйвер содержит входную часть на операционных усилителях, которая может работать в автогенераторном режиме. Частота определяется дополнительными навесными элементами, подключаемыми к выводам C1, R1. Генераторы паузы на нуле обеспечивают задержки во включении выходного транзистора на 1 мкс после закрытия предыдущего транзистора. В канале верхнего плеча осуществляется гальваническая развязка, далее напряжение усиливается усилителем мощности на полевых транзисторах и выходное напряжение с выхода HO(7) поступает на затвор силового транзистора. Нижнее плечо работает от задающего генератора через генератор паузы на нуле и устройство задержки.

Для обеспечения стабильности работы драйвера внутри имеется стабилитрон, ограничивающий напряжение Vcc(1) на уровне 15 В.

 

Литература

1. Short form catalog International Rectifier. Product Digest.
2. В.И. Сенько и др. Электроника и микросхемотехника (на укр. яз.). Том 1. – К.: Обереги, 2000.
3. М. Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – К.: МК-Прогрес, 2007.
4. Микросхемы для импульсных источников питания – 3. – М.: Изд. дом "Додека – ХХI", 2002.

electrician.com.ua

Радио для всех - MOSFET, IGBT и Дарлингтона транзисторы

 

 

Полевой или FET (field-effect transistor) транзистор. Аналогичен биполярным транзисторам (BJT). Транзисторы FET переключаются по напряжению, а не по току. Ниже приведена табличка обозначения электродов данных транзисторов, похожих по принципу работы.

 

К основным типам полевых транзисторов относятся:

 

–         MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

–         JFET (Junction Field-Effect Transistor)

–         MESFET

–         HEMT

–         MODFET

 

Наиболее распространенными являются MOSFET и JFET

Транзистор с полевым эффектом представляет собой трехполюсное однополярное полупроводниковое устройство, которое имеет очень схожие характеристики с биполярными, т.е. высокую эффективность, мгновенную работу, надежность и дешевизну и может использоваться в большинстве применений электронных схем для замены эквивалентных биполярных транзисторов (BJT). Полевые транзисторы могут быть сделаны намного меньше, чем эквивалентный BJT-транзистор, а их низкое энергопотребление и рассеиваемая мощность делают их идеальными для использования в интегральных схемах, таких как CMOS-диапазон цифровых логических микросхем. Два основных типа конструкции биполярного транзистора, NPN и PNP , которые в основном описывают физическое расположение полупроводниковых материалов типа P и N-типа, из которых они изготовлены. Это относится и к полевым транзисторам, так как есть также две основные классификации полевого транзистора, называемого полевым транзистором N- канала и полевым транзистором Р-канала . Полевой сконструирован без PN-переходов в пределах основного пути прохождения тока между стоком и истоковыми оконечными устройствами, которые соответствуют функционально коллектору и эмиттеру биполярного транзистора. Путь тока между этими двумя выводами называется «каналом», который может быть выполнен из полупроводникового материала типа «P» или «N». Управление током, протекающим по этому каналу, достигается путем изменения напряжения, приложенного к затвору . Транзистор с полевым эффектом, является «однополярным» устройством, которое зависит только от проводимости электронов (N-канал) или дырок (P-канал). Имеет одно главное преимущество перед BJT, так как их входной импеданс ( Rin ) очень высок (в тысячах Ом), в то время как у BJT сравнительно низок. Этот очень высокий входной импеданс делает их очень чувствительными к сигналам входного напряжения, но цена этой высокой чувствительности также означает, что они могут быть легко повреждены статическим электричеством.

 

Типичный полевик

 

 

Транзистор с полевым эффектом перехода (JFET)

 

Существует два основных типа полевого транзистора, полевого транзистора с полем перехода или JFET и транзистор с изолированным затвором IGFET , который более широко известен как MOSFET.

Биполярный транзистор соединен с использованием двух PN-переходов в основном канале переноса тока между эмиттером и коллектором. Транзистор с эффектом перехода (JUGFET или JFET) не имеет PN-переходов, но вместо этого имеет узкий кусок полупроводникового материала с высоким удельным сопротивлением, образующий «Канал» либо из кремния типа N, либо из кремния Р-типа, для того чтобы основные носители могли протекать через два омических соединения на обоих концах, которые обычно называются Drain и Source соответственно. Существуют две базовые конфигурации полевого транзистора с полем перехода, N-канальный JFET и P-канал JFET. Канал N-канального JFET легирован донорными примесями, что означает, что течение тока через канал отрицательно (отсюда термин N-канал) в виде электронов. Аналогично, канал Р-канала JFET легирован акцепторными примесями, что означает, что поток тока через канал положителен (отсюда и термин Р-канал) в форме дырок. N-канальные JFET имеют большую проводимость канала (меньшее сопротивление), чем их эквивалентные типы Р-каналов, поскольку электроны обладают большей подвижностью через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальный JFET более эффективным проводником по сравнению с их аналогами P-каналов. Мы уже говорили ранее, что есть два электрода на обоих концах канала, называются сток и исток . Но внутри этого канала имеется третье электрическое соединение, которое называется затвор, материал типа P или N, образующий PN-переход с основным каналом.

 

Базовая конструкция для обеих конфигураций JFET.

 

Полупроводниковый «канал» представляет собой резистивный путь, через который напряжение V DS вызывает ток I D , и, таким образом, транзистор с эффектом переходного поля может проводить ток одинаково хорошо в любом направлении. Поскольку канал является резистивным по природе, градиент напряжения, таким образом, формируется по всей длине канала, причем это напряжение становится менее положительным, когда мы идем от клеммы Drain к клемме Source. В результате PN-соединение имеет высокое обратное смещение на клемме Drain и более низкое обратное смещение на клемме Source. Это смещение вызывает формирование «обедненного слоя» в канале и ширина которого увеличивается при смещении. Величина тока, протекающего по каналу между клеммой стоком и истоком, контролируется напряжением, подаваемым на вывод затвор, который является обратным смещением. В N-канальном JFET это напряжение затвора отрицательное, в то время как для JFET P-канала напряжение затвора положительное. Основное различие между JFET и BJT заключается в том, что когда соединение JFET обратно смещается, ток затвора практически равен нулю, тогда как базовый ток BJT всегда имеет некоторое значение, большее нуля.

Характеристические кривые выходного напряжения типичного транзистора FET.

Напряжение V GS, подаваемое на Gate, контролирует ток, протекающий между Drain и источниками. V GS относится к напряжению, приложенному между Gate и Source, в то время как V DS относится к напряжению, приложенному между Drain и Source.

Так как транзистор с эффектом «переходного поля» является устройством с управлением напряжением, «ток протекает в затвор» , то ток источника ( I S ), вытекающий из устройства, равен току стока, втекающему в него, и поэтому ( I D = I S ) ,

Пример кривых характеристик, показанный выше, показывает четыре различные области работы JFET, и они приведены как:

• Омическая область - Когда V GS = 0 истощающий слой канала очень мал и JFET действует как резистор, управляемый напряжением.
• Область отсечки - это также известно как область пинч-офф - это напряжение затвора, V GS достаточно, чтобы заставить JFET действовать как разомкнутая цепь, поскольку сопротивление канала находится на максимуме.
• Насыщенность или активная область - JFET становится хорошим проводником и управляется напряжением Gate-Source (V GS ), в то время как напряжение источника стока (V DS ) оказывает незначительное влияние или не оказывает никакого эффекта.
• Область пробоя - Напряжение между Drain и Source (V DS ) достаточно высоко, чтобы вызвать разрушение резистивного канала JFET и прохождение неконтролируемого максимального тока.

Кривые характеристик для транзистора с полевым транзистором с P-каналом являются такими же, как и выше, за исключением того, что ток стока I D уменьшается с увеличением положительного напряжения на входе-выводе V GS .

Ток стока равен нулю, когда V GS = V P. Для нормальной работы V GS смещен, чтобы быть где-то между V P и 0. Тогда мы можем рассчитать ток стока, I D для любой заданной точки смещения в насыщающей или активной области следующим образом:

Режимы полевых транзисторов

Как и биполярный транзистор, полевой транзистор, являющийся трехконтактным устройством, может иметь три различных режима работы и, следовательно, может быть подключен в схеме в одной из следующих конфигураций.

Конфигурация с общим истоком (CS)

 

В конфигурации Common Source (аналогично общему эмиттеру), вход применяется к Gate, и его выход берется из Drain, как показано. Это наиболее распространенный режим работы полевого транзистора благодаря его высокому входному импедансу и хорошему усилению напряжения, и поэтому широко используются широко распространенные усилители с общим источником. Режим общего источника соединения FET обычно используется усилителями звуковой частоты, а также с высоким входным импедансом предусилителей и каскадов. Будучи усилительной схемой, выходной сигнал 180 ° «находится в фазе» с входом.

Конфигурация общий затвор (CG)

 

В конфигурации Common Gate (по аналогии с общей базой) вход применяется к источнику, и его выход берется из Drain с Gate, подключенным непосредственно к земле (0v), как показано. В этой конфигурации потеря сигнала высокой входной импеданс предыдущего соединения теряется, так как общий затвор имеет низкий входной импеданс, но высокий выходной импеданс. Этот тип конфигурации полевого транзистора может быть использован в высокочастотных цепях или в схемах согласования импеданса, поскольку низкий входной импеданс должен соответствовать высокому выходному импедансу. Выход «синфазный» с входом.

Конфигурация общего стока (CD)

 

В конфигурации Common Drain (аналогично общему коллектору) вход применяется к Gate, и его выход берется из Source. Конфигурация общего стока или «источник-последователь» имеет высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и почти единичное усиление напряжения, поэтому используется в буферных усилителях. Коэффициент усиления напряжения источника повторителя конфигурации меньше единицы, а выходной сигнал является «синфазным», 0 o с входным сигналом. Этот тип конфигурации называется «Common Drain», потому что на дренажном соединении нет сигнала, имеющееся напряжение + V DD просто обеспечивает смещение. Вывод синфазен со входом.

Усилитель JFET

Как и биполярный транзистор, JFET можно использовать для создания однокаскадных усилительных схем класса A с общим усилителем JFET и характеристиками, очень похожими на схему с общим эмиттером BJT. Основным преимуществом усилителей JFET перед усилителями BJT является их высокое входное сопротивление, которое контролируется резистивной сетью смещения затвора, сформированной R1 и R2, как показано.

Смещение на усилителе JFET

 

Эта схема усилителя общего источника (CS) смещается в режиме класса «A» с помощью сети делителя напряжения, образованной резисторами R1 и R2 . Напряжение на истоковом резисторе R S обычно устанавливается равным примерно четвертью V DD , ( V DD / 4 ), но может быть любым разумным значением. Требуемое напряжение затвора может быть затем вычислено по этому значению R S. Так как ток затвора равен нулю, ( I G = 0 ), мы можем установить требуемое напряжение покоя постоянного тока путем правильного выбора резисторов R1 и R2 . Управление током стока при отрицательном потенциале затвора делает транзистор с эффектом переходного поля полезным в качестве переключателя, и важно, чтобы напряжение затвора никогда не было положительным для N-канального JFET, поскольку ток канала будет протекать к Gate, а не в сток, приводящий к повреждению JFET. Принципы работы для J-канала P-канала такие же, как для N-канального JFET, за исключением того, что полярность напряжений должна быть изменена на противоположную.

 

Читаем далее по теме

 

Условные обозначения транзисторов

МОП- транзистор (MOSFET)

Транзистор Дарлингтона

Транзистор IGBT

Биполярный транзистор (BJT)

 

 

 

www.junradio.com

Радио для всех - 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 GSпостоянным, значение V DSизменяется 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.

 

 

www.junradio.com

IGBT силовые транзисторы International Rectifier шестого поколения

Силовая электроника №4'2009

Заказать этот номер

В последнее время сектор элементной базы для силовой электроники бурно развивается. Базовыми элементами силовых регулирующих устройств являются мощные силовые ключи. Их основными параметрами являются предельные напряжения и ток, а также быстродействие и эффективность передачи энергии. В качестве мощных ключевых элементов используются MOSFET силовые транзисторы, IGBT силовые транзисторы и тиристоры. В тех областях, где требуется сочетание высоких рабочих напряжений и токов, доминируют IGBT силовые транзисторы. Они могут использоваться в виде дискретных приборов, бескорпусных кристаллов в составе гибридных силовых модулей и интеллектуальных силовых модулях различных электроприводов.

Известно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) обладают преимуществами легкого управления полевыми МОП-транзисторами и низкими потерями проводимости, характерными для биполярных транзисторов. На рис. 1 показана эквивалентная схема IGBT-транзистора.

Традиционно IGBT используют в тех случаях, где необходимо работать с высокими токами и напряжениями. IGBT-транзисторы в настоящее время выпускают десятки производителей. Среди них — Infineon Technologies, Semikron, International Rectifier, Fairchild Semiconductor, Toshiba, Hitachi, MITSUBISHI, FUJI, IXYS, Power Integration, Dynex Semiconductor и другие.

В конце 1980-х годов было создано первое поколение IGBT-транзисторов, а уже в начале 1990-х появились второе и третье. Прогресс в технологии IGBT шел по линии увеличения рабочих напряжений и токов, а также повышения эффективности преобразования за счет снижения потерь мощности на кристалле как в статическом, так и в динамическом режимах. Происходило и удешевление приборов. К настоящему времени и для серийного производства уже используются технологии четвертого, пятого и шестого поколений IGBT-транзисторов. Следует отметить, что нумерация поколений достаточно условна и у разных фирм может отличаться.

Развитие технологии IGBT-транзисторов фирмой IR

Компания International Rectifier является признанным лидером в разработке и производстве высококачественных силовых полупроводниковых приборов. Диапазон продукции IR достаточно широк и объединяет в себе различные направления. Это и дискретные устройства (биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), мощные полевые транзисторы (MOSFET) и модульные сборки на основе кристаллов дискретных элементов, а также ИМС для управления энергосберегающими источниками света, силовые ИМС для электронных балластов люминесцентных ламп и ламп высокого давления, микросхемы драйверов IGBT и MOSFET, включая высоковольтные микросхемы HVIC, продукты на базе интегрированной платформы IMotion и цифровые контроллеры для управления электроприводом, продукты платформы SupIRBuck, микроэлектронные твердотельные реле. В настоящий момент фирма выпускает широкую номенклатуру IGBT, для производства которых используются технологии 4-го (4 PT IGBT), 5-го (5 Non-PT IGBT) и 6-го поколений (DS Trench IGBT). Для первых двух технологий в полевом транзисторе используется планарный затвор, а в последнем (DS Trench) — вертикальный. Собственно, структуры приборов для данных технологий разработаны уже давно и используются производителями на протяжении многих лет. Все дело в нюансах, которые дают возможность производителю реализовать те или иные преимущества технологии. И цена производства кристалла имеет не последнее значение. На рис. 2 показана эволюция технологии IGBT-транзисторов фирмы IR.

Новые транзисторы оптимизированы для работы на частотах переключения до 20 кГц, и для снижения энергии потерь на проводимости и переключении в них использована Trench-технология. Эти IGBT с антипараллельным ультрабыстрым диодом имеют энергию переключения ETS и более низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер VCE(on), чем IGBT PT и NPT типа. Кроме того, ультрабыстрый диод с мягким восстановлением дополнительно повышает эффективность преобразования и снижает уровень генерируемых помех.

Технология с вертикальным затвором

Для данного типа технологии затвор полевого транзистора сформирован в виде глубокой канавки (trench gate) на подложке (рис. 2). При изготовлении Trench-FS (Field Stop) транзисторов используется буферный n+ слой в основании подложки. В сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера структура затвора позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки и уменьшить напряжение насыщения транзисторов Trench-FS на 30% по сравнению с транзисторами, созданными по технологии NPT. Уменьшается почти на 70% и площадь кристалла, обеспечивается большая плотность тока транзистора.

Технология Trench немного сложнее и дороже, чем NPT. Однако уменьшение размера кристалла Trench-FS снижает его удельную себестоимость, что в итоге позволяет уравнять цены на готовую продукцию по отношению к аналогичным приборам, производимым по другим технологиям. Кроме того, благодаря снижению энергии потерь, при равноценной площади кристалла существенно возрастает ток транзистора (до 60%).

У вертикального затвора, в отличие от пла-нарного, отсутствуют горизонтальные пути протекания тока. Ток течет к коллектору по кратчайшему пути, что обеспечивает снижение потерь на проводимость. Trench IGBT имеют самый низкий уровень статических и динамических потерь среди IGBT, производимых компанией. У новых Trench IGBT благодаря уменьшению длины «хвоста» обеспечивается более плавная траектория переключения, чем у NPT IGBT. «Хвостом» (tail current) называется остаточный ток коллектора биполярного транзистора IGBT, возникающий из-за рассасывания носителей в области базы после запирания транзистора. Благодаря этому энергия выключения стала на 10-20% ниже, чем у NPT IGBT.

Линейка 600 В IGBT-транзисторов Trench 6-го поколения

Семейство 600-вольтовых Trench IGBT в первую очередь ориентировано на использование в UPS-источниках и преобразователях солнечной энергии мощностью до 3 кВт. Силовые приборы этого семейства могут также служить эффективной заменой аналогичных IGBT-транзисторов в системах управления приводом компрессоров в холодильниках, индукционных системах нагрева, а также в приводах мощных вентиляторов. Приборы позволяют на 30% снизить мощность рассеивания по сравнению с IGBT других типов. Компания разработала линейку из 8 приборов в корпусах TO-220TO-247, с рабочим напряжением 600 В и токами 4-48 А.

Для всех типов данных транзисторов используются кристаллы толщиной 70 мкм. Гарантированное время выдержки режима короткого замыкания — не менее 5 мкс для всех типов линейки.

Все корпусированные приборы выполнены по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипараллельный ультрабыстрый диод). Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Система обозначений для IGBT-транзисторов Trench

Для ранее разработанных IGBT-транзисторов использовалась следующая система обозначений (рис. 3).

В данной системе обозначений присутствует суффикс, определяющий подкласс по быстродействию прибора (таблица 2).

В процессе разработки новых приборов возникла необходимость введения добавочных суффиксов, определяющих дополнительные параметры транзисторов, поэтому система обозначений была изменена (рис. 4). Эта система, в частности, использовалась для маркировки 600 В Trench IGBT.

После разработки технологии 1200 В Trench IGBT (Gen 6.3+) фирма ввела новую систему обозначений для новых IGBT-транзисторов 4-го и 6-го поколений, которая показана на рис. 5. Для ранее разработанных 600 В транзисторов пока сохраняется маркировка, приведенная на рис. 4.

Преимущества транзисторов по технологии Trench

Напряжение в открытом состоянии Uce на 30% ниже аналогичного параметра для транзисторов 4-го и 5-го поколений и обеспечивает меньше рассеяние энергии на кристалле и нагрев, повышается эффективность преобразования энергии. Меньшая емкость затвора обеспечивает большее быстродействие, упрощает управление транзистором и снижает уровень динамических потерь.

Квадратная (Square) форма зоны допустимых режимов безопасной работы обеспечивает большую надежность прибора при работе с критическими токами и напряжениями. Незначительный остаточный ток выключения и малые потери выключения (EOFF) позволяют транзисторам работать на более высоких частотах. На рис. 6 показаны сравнительные характеристики допустимой рассеиваемой мощности на кристалле для транзисторов Trench и IGBT-транзисторов с планарным затвором.

Более высокая допустимая температура кристалла (175 °С) обеспечивает расширение диапазона рабочих температур и повышает надежность прибора. Температура радиатора при аналогичных режимах работы у транзистора Trench будет ниже. Меньшие размеры корпуса транзисторов Trench в сочетании с сокращением размеров радиатора позволяют ужать печатную плату.

Параметры транзисторов 6-го поколения обеспечивают более эффективное преобразование энергии и могут быть рекомендованы в качестве замены транзисторов 4-го и 5-го поколений соответствующей мощности, а также аналогичных транзисторов других производителей.

Технология с вертикальным затвором стала разрабатываться компанией International Rectifier уже тогда, когда на рынке получили широкое распространение Trench IGBT других производителей, в том числе и ведущих в данном секторе фирм — Infineon и Toshiba. Поэтому в процессе разработки линейки нового поколения IGBT-транзисторов перед специалистами IR стояла сложная задача достижения высоких параметров в сочетании с низкой ценой, что позволило бы обеспечить конкурентоспособность продукции на рынке.

Сравнение параметров IGBT-транзисторов 6-го поколения IR с аналогичными Trench IGBT-транзисторами Infineon и Toshiba показало, что по комплексу качеств они не уступают конкурентам, а по отдельным характеристикам даже превосходят их.

Однако следует признать тот факт, что по некоторым параметрам IGBT-транзисторы Infineon сохранили превосходство над транзисторами IR. Проверка по методике International Rectifier показала, что напряжение Uce в открытом состоянии для отдельных типов транзисторов Trench IGBT фирмы Infineon меньше на 30%, чем у аналогичных по мощности транзисторов IR. Быстродействие транзисторов IR оказалось немного хуже, чем у транзисторов Infineon, но намного лучше, чем у Trench IGBT фирмы Toshiba.

В настоящее время фирма Infineon является лидером в разработке IGBT-технологий, и проигрыш International Rectifier носит скорее временный характер. В планах разработчиков в ближайшее время достичь уровня Uсе и обеспечить быстродействие не хуже, чем у Infineon. В таблице 5 приведены аналоги транзисторов IR и Infineon для выбора альтернативной замены.

1200-вольтовые Trench IGBT

Первые члены этого модельного ряда транзисторов были представлены на рынке в начале 2009 г. В таблице 6 приведены параметры линейки IGBT-транзисторов IR с рабочим напряжением 1200 В.

Области применения 600 и 1200 В IGBT-транзисторов 6-го поколения

Применение Trench IGBT-транзисторов позволяет повысить эффективность работы силовых модулей в различных приложениях. Области применения Trench IGBT:

• АС/DC, DC/AC-преобразователи;
• инверторы солнечных батарей;
• системы индукционного нагрева;
• преобразователи напряжений в гибридных автомобилях;
• электропривод в стиральных машинах;
• электронный балласт в модуле управления ксеноновым светом автомобильных фар;
• управление компрессором холодильника;
• формирователь высокого напряжения в микроволновых печах;
• электропривод компрессоров кондиционера;
• инверторы сварочных аппаратов.

В таблице 7 приведены требования, предъявляемые к параметрам IGBT-транзисторов для различных приложений.

Ниже будут более подробно рассмотрены примеры использования Trench IGBT, обеспечивающие эффективность готового устройства.

Инвертор 220 В для солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи нашли активное применение как источник электроэнергии, объемы их продаж год от года неуклонно растут. Солнечные батареи образованы из модулей солнечных фотоэлементов, обеспечивающих напряжение от 12 до 100 В и рабочие токи до нескольких десятков ампер. В промышленных применениях (например, опреснители морской воды) используются солнечные батареи с выходным напряжением от 24 до 100 В и мощностью в несколько киловатт. Схема преобразования солнечной энергии такова: солнечная батарея—буферный аккумулятор—инвертор (DC/AC-конвертор) 220/380 В—промышленная установка, питающаяся от сети 220/380 В. На рис. 7 показана структура DC/AC-инвертора для солнечных батарей.

А на рис. 9 приведен конкретный пример реализации инвертора мощностью 500 Вт с использованием силовых элементов IR, в том числе и Trench IGBT-транзисторов 6-го поколения, обеспечивающих более высокую эффективность преобразования солнечной энергии (рис. 8).

В схеме используются микросхемы и дискретные транзисторы IR:

• 600 В Trench IGBT-транзистор IRGB4056DPBF;
• 100 В DirectFET транзисторы, IRF6644;
• генератор для управления мостовой схемой IR2086S;
• 600 В микросхема полумостового драйвера IRS2184S.

Для синтеза 50 Гц используется частота ШИМ 20 кГц.

На рис. 9 показана демо-плата инвертора, собранного по данной схеме. Размер платы около 100x40 мм.

Управление электроприводом

На рис. 10 показана типовая схема управления асинхронным электродвигателем. Модуль управления может быть использован в стиральных машинах, компрессорах холодильников или кондиционеров. В качестве силовых ключей в схеме используются Trench IGBT-транзисторы.

Драйверы плазменных матричных панелей

Для управления поджигом и гашением разряда в пикселях матричной плазменной панели требуется формирование высоковольтных сигналов сложной формы. IGBT-транзисторы идеально подходят в качестве ключевых элементов для реализации гибридных многовыходных драйверов в плазменной панели. Матричная система пикселей плазменной панели с точки зрения управления представляет собой емкостную нагрузку. Ключевые приборы для таких устройств должны быстро включаться, обеспечивать высокие импульсные токи и иметь низкое падение напряжения в открытом состоянии.

На рис. 11 показана структура плазменной панели.

На рис. 12 показана схема управления пикселем плазменной панели.

Схема обеспечивает синтез сигналов сложной формы с большим диапазоном напряжений (от -150 до +400 В) и импульсных токов.

Заключение

В первую очередь транзисторы Trench IGBT могут использоваться в качестве альтернативной замены аналогичных приборов, ранее разработанных компанией International Rectifier, обеспечивая увеличение эффективности преобразования энергии и снижение цены готового устройства.

Транзисторы Trench IGBT могут с успехом заменять все равноценные по мощности типы транзисторов 4-го и 5-го поколений IGBT, если только значение параметра SCSOA спецификации — 5 uS окажется приемлемым для данных применений. Во всех случаях при замене будет обеспечена лучшая эффективность преобразования, а также большая плотность мощности. Транзисторы 6-го поколения IGBT IR могут использоваться и в качестве недорогой альтернативы аналогичным приборам, выпускаемым другими производителями. Поколение Trench IGBT позволяет сбалансировать потери на переключениях и проводимости и использовать биполярные транзисторы с изолированным затвором в области высоких частот вместо полевых МОП-транзисторов, одновременно обеспечивая высокий КПД. Преимущества IGBT-транзисторов 6-го поколения позволят им потеснить, а по мере совершенствования технологии IGBT и вовсе заменить полевые МОП-транзисторы в импульсных источниках питания.

Литература

1. Транзисторы Trench IGBT шестого поколения. Башкиров В. // Новости электроники. 2007. № 7.
2. Силовые IGBT-модули Infineon Technologies. Анатолий Б. // Силовая электроника. 2008. № 2.
3. IGBT или MOSFET? Проблема выбора. Евгений Д. // Электронные компоненты. 2000. № 1.
4. Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением. Александр П. // Современная электроника. 2004. № 4.
5. Транзисторы IGBT. Новинки от компании International Rectifier. Волошанская Е. // Электроника: НТБ. 2005. № 5.
6. AC TIG Welding: Output Inverter Design Basics. Roccaro A., Filippo R., Salato M. Application Notes AN-1045
7. IGBT Characteristics. Application Note AN-983.

*  *  *

Другие статьи по этой теме

Скачать статью в формате PDF

power-e.ru

Процессы, происходящие при коммутации IGBT транзисторов

Теперь рассмотрим более подробно процессы, происходящие при коммутации IGBT транзисторов, используя такую же методику, которая применялась нами для транзисторов MOSFET, то есть при условии подачи на затвор прямоугольных импульсов с высокой крутизной фронтов и спадов. Но вначале предупредим читателя, что в составе IGBT прибора также имеются паразитные межэлектродные емкости, которые «затягивают» динамические процессы (рис. 2.1.32). Далее мы увидим, что в транзисторе IGBT также действует эффект Миллера, предпосылкой к возникновению которого является емкость Cgc.

Обратимся теперь к рис. 2.1.33, на котором показана схема исследования коммутационных процессов. Эта схема аналогична приведенной для транзистора MOSFET. Результаты замеров показаны на рис. 2.1.34. При подаче от генератора управляющего импульса (рис. 2.1.34, а) через затворный резистор Rg 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 Uge 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 Ug, 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). Надеемся, что пока читатель не заметил каких-либо отличий поведения IGBT транзистора от транзистора MOSFET. Но — внимание! — сейчас эти отличия появятся. 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 носите-

Рис. 2.1.34. Временные диаграммы коммутационных процессов в транзисторах IGBT

лей еще продолжаются. На участках (7) и (8), показанных на рис. 2.1.34, г), наблюдается «токовый хвост», характеризуемый непериодическими колебаниями коллекторного тока.

Следует отметить, что кривые заряда затвора для транзисторов одной серии, но разных классов, примерно одинаковы, что также свидетельствует о том, что динамические свойства IGBT приборов определяются их биполярной составляющей, а не полевой. Для иллюстрации этого факта на рис. 2.1.35 приведены кривые заряда затворов транзисторов, включенных в табл. 2.1.6.

У транзисторов IGBT, как и у транзисторов MOSFET, отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисто-

Рис. 2.1.35. Кривые заряда затвора для транзисторов серии IRG4PC50

ров. Кроме того, с повышением температуры напряжение насыщения «коллектор—эмиттер» у IGBT приборов уменьшается, в то время как сопротивление канала транзисторов MOSFET растет. 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. Область безопасной работы транзистора IGBT определяется по максимальному импульсному току коллектора (pulsed collector current) и максимальному напряжению «коллектор—эмиттер» (collector-to-emitter voltage) — при эксплуатации в пределах диапазона рабочих частот. На рис. 2.1.36 представлена область безопасной работы транзистора IRG4PC40U. Площадь под кривой обозначена как safe operating area — эта площадь и является областью допустимых режимов работы транзистора (в различных сочетаниях токов и напряжений). Хорошо видно, что IGBT транзистор выдерживает пиковые (неповторяющиеся) токовые перегрузки вплоть до предельных значений напряжения «коллектор—эмиттер».

Еще раз повторимся, что эксплуатировать IGBT транзистор определенного класса можно только в том диапазоне частот, для которого он предназначен. Точнее, использовать более высокочастотные классы на низких частотах допустимо (хотя это расточительно — чем выше класс, тем больше стоимость прибора), а вот «разгонять» медленные IGBT транзисторы не рекомендуется. Вообще, если быть до конца точными, то теоретически использовать медленный прибор на

Рис. 2.1.36. Область безопасной работы транзистора IGBT типа IRG4PC40U

высоких частотах возможно, но практически придется сильно снизить величину допустимого предельного длительного тока, и, к тому же, большая часть энергии израсходуется на потери переключения, что понизит КПД схемы. «Оно вам надо?» — как говорится…

И все же, какова нагрузочная способность IGBT приборов в различных диапазонах частот? Как точно определить, на каких частотах допускается «работать» без снижения максимального значения тока коллектора, а где придется его снизить? В технической документации на этот счет приводится график, называемый типовой зависимостью тока нагрузки от частоты (typical load current vs frequency). Для наглядности на рис. 2.1.37 данные графики объединены в одной координатной сетке для четырех классов упомянутых в этом разделе транзисторов.

Рис. 2.1.37. Сравнительные частотные характеристики IGBT транзисторов разных классов на примере IRG4PC50

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

nauchebe.net

Транзистор IGBT в качестве ключа. Управление igbt транзистором

Транзистор IGBT в качестве ключа

November 30, 2011 by admin Комментировать »

Транзистор IGBT представляет собой кремниевый гибрид, составленный из мощного полевого МОП-транзистора на выводе затвора и "неблокируемого" трини- стора (silicon controlled rectifier, SCR) между выводами коллектора и эмиттера. Его внутренняя схема показана на рис. 3.39.

Рис. 3.39. Внутренняя схема транзистора IGBT

Преимущества транзистора IGBT перед полевым МОП-транзистором заключается в экономии площади кремниевого кристалла и его характеристиках тока через биполярный коллектор. Кроме того, у транзистора IGBT есть два недостатка: высокое напряжение насыщения из-за наличия двух последовательных р-п-переходов и то, что он может иметь длинный "хвост" выключения, который добавляется к потерям переключения. "Хвостовые" потери ограничивают частоту переключения до менее, чем 20 кГц. Это делает такой транзистор идеальным для приводов двигателей промышленной электроники, где частота переключений чуть выше диапазона звуковых частот, воспринимаемых человеком.

Транзисторы IGBT были целью многих исследований, проведенных компаниями-производителями полупроводников, и указанный временной "хвост" был существенно укорочен. Первоначально этот промежуток составлял около 5 мкс, а на сегодняшний день он составляет лишь около 100 не и продолжает уменьшаться. Уровень напряжения насыщения также был улучшен: примерно от 4 В до менее, чем 2 В. Хотя это — проблема для низковольтных преобразователей постоянного тока в постоянный, для автономных и промышленных преобразователей большой мощности применение IGBT очень привлекательно. По личному мнению автора, транзисторы IGBT можно применять для преобразователей с уровнем входного напряжения выше 220 VAC и мощностью 1 кВт.

Управление транзисторами IGBT идентично управлению полевыми МОП-транзисторами. Они имеют подобные характеристики управления затвором, а схема драйвера МОП-транзистора очень хорошо работает и с транзистором IGBT.

nauchebe.net

Управление изолированными затворами MOSFET/IGBT, базовые принципы и основные схемы

Силовая электроника №5'2013

Заказать этот номер

Поведение современных силовых ключей MOSFET/IGBT в динамических режимах во многом определяется скоростью коммутации емкостей затвора. Перезаряд этих емкостей осуществляется устройством управления (драйвером), от параметров которого во многом зависят характеристики всего преобразовательного устройства. Динамические токи затвора у мощных ключей могут достигать десятков ампер, что является главной проблемой при разработке схемы управления, мощность рассеяния которой должна быть пренебрежимо малой. Определение характеристик и выбор типа драйвера для конкретного силового модуля является достаточно непростой задачей, которая усложняется при необходимости работы с параллельным соединением модулей или на высокой частоте коммутации, когда существенно возрастет мощность управления.

Управление изолированным затвором: основные положения

В общем случае процесс перезаряда емкостей затвора может контролироваться сопротивлением, напряжением и током (рис. 1) [2].

Рис. 1. Управление затвором: а) с помощью сопротивления; б) напряжения; в) тока

На практике чаще всего используется самый простой вариант (рис. 1а) с двумя раздельными резисторами для режимов включения и выключения, при этом одним из наиболее важных параметров является уровень «Плато Миллера», соответствующий плоской части характеристики затвора (рис. 2). Скорость и время коммутации задаются величиной RG при фиксированном напряжении управления VGG; чем меньше резистор затвора, тем быстрее происходит переключение. Отметим, что при использовании новейших поколений IGBT (например, Trench 4) может наблюдаться аномальная картина: при изменении RG в некотором диапазоне скорость выключения di/dt растет вместе с сопротивлением. Этот факт требует очень внимательного анализа, особенно при замене транзисторов предыдущих генераций [3].

Рис. 2. Ток и напряжение на затворе: а) при включении; б) выключении

К недостаткам «резистивного» метода управления можно отнести влияние разброса емкостей затвора на время коммутации и величину динамических потерь, а также упомянутую выше неопределенность зависимости di/dt от RG для некоторых типов современных транзисторов.

Прямое управление от источника напряжения (рис. 1б) устраняет данную зависимость, скорость коммутации в этом случае определяется фронтом прикладываемого к затвору сигнала dv/dt. Как следствие, на характеристике затвора наблюдается только незначительный участок «плато Миллера» или он отсутствует вообще. При использовании такого метода выходной каскад драйвера должен обеспечивать достаточный уровень напряжения и тока в течение всего времени коммутации. По сравнению со схемой 1а управление по напряжению требует применения гораздо более сложного и дорогого драйвера. Возможным компромиссом является использование комбинированного динамического метода контроля, при котором сигнал на затвор подается через резистор от регулируемого источника напряжения.

Токовое управление предусматривает использование источника «положительного» и «отрицательного» тока (рис. 1в), величина которого определяет скорость перезаряда затвора. Этот метод сопоставим с «резистивным», на практике он, как правило, используется в аварийных режимах для безопасного прерывания тока перегрузки или КЗ.

На рис. 2 показаны эпюры тока затвора iG и напряжения «затвор-эмиттер» VGE для схемы с «резистивным» контролем. Абсолютное максимальное значение напряжения управления VGG обеих полярностей определяется электрической прочностью изоляции затвора, для всех современных MOSFET/IGBT оно ограничено на уровне ±20 В. Эта величина не должна превышаться при всех условиях эксплуатации, включая аварийные режимы, что требует в ряде случаев принятия специальных мер.

Сопротивление открытого канала полевого транзистора RDS(on) и напряжение насыщения IGBT VCE(sat) снижаются при увеличении амплитуды сигнала управления. Рекомендуемая номинальная величина VGS(on) для MOSFET составляет 10 В, VGE(on) для IGBT — 15 В, все статические и динамические характеристики полупроводников нормируются при данных условиях. При

xn--90adflmiialse2m.xn--p1ai

Схема УНЧ на псевдо IGBT-транзисторах | Микросхема

Рад приветствовать всех любителей радиоэлектроники и радиотехники. Для начала хочу поблагодарить всех постоянных посетителей и читателей сайта за полезные и нужные советы, за ту неоценимую помощь, которую вы оказываете начинающим радиолюбителям и в целом всему сообществу электронщиков. Наша площадка стала хорошим форумом для обсуждения электротехнических вопросов, возникающих в ходе конструирования различных приборов, устройств и аппаратов. В дальнейшем планируется модернизация сайта с целью повышения удобства поиска, использования и публикации материалов, ведения дискуссий, а также наполнение новыми, актуальными схемами и конструкциями.

Сегодня предлагаю всем любителям УНЧ и звукотехники на тестирование и обсуждение схему УНЧ на псевдо IGBT транзисторах. Почему на «псевдо»? Ответим на этот вопрос и одновременно на комментарий уважаемого радиолюбителя так. IGBT-транзистор сам по себе представляет некий гибрид полевого и биполярного транзисторов. Дословно на русский язык эта аббревиатура переводится, как «биполярный транзистор с изолированным затвором». Основное применение IGBT, для чего, собственно, они и разрабатывались, нашли в силовой электронике. Это, однако, не означает того, что их вовсе нельзя использовать в усилительной аппаратуре. Можно. Но все дело упирается в качественной составляющей таких усилителей. Как говорится, Hi end усилитель не собрать! Впрочем, это не мешает прагматичным немцам «впаривать» свои разработки на специально разработанных IGBT транзисторах за бешеные деньги под видом усилителей класса Hi-End (в авторской публикации названа цена в 200 000 долларов!). Однако, если изучить характеристики таких транзисторов, имеющихся в продаже, можно сделать вывод, что ни один из них для высококачественного воспроизведения звука не подходит. Все-таки сказывается их основное предназначение. Так вот, непосредственно сами IGBT использовать в Hi-End классе нельзя, но можно найти им отличную замену.

В данном варианте УМЗЧ роль псевдо IGBT отводится общеизвестной комбинации из составного транзистора Дарлингтона с полевым транзистором на входе. Ведь это, по сути, тот же IGBT-транзистор, только выполненный на двух кристаллах, но с очень хорошими характеристиками с точки зрения звуковоспроизведения. Так автором (А.Шедный, город Омск) была разработана схема УМЗЧ, изображенная на рисунке ниже. За что ему огромное спасибо.

Техническая характеристика УЗЧ

По схемотехническому исполнению УЗЧ представляет собой симметричный одноканальный усилитель мощности низкой частоты, претендующий на класс Hi-End. Основные технические характеристики следующие. Номинальная выходная мощность усилителя на нагрузку 4 Ом составляет 225 ватт. Диапазон воспроизводимых частот колеблется в пределах 5…160000 Гц. Коэффициент нелинейных искажений при частоте в 1 кГц составляет порядка 0,001%, при 20 кГц – 0,008%. Отношение сигнал/шум = 110 дБ.

Краткое описание УНЧ

Звуковой сигнал через пленочный конденсатор С1 подается на регулятор громкости R1 фирмы ALPS. Следует заметить, что в случае применения в регуляторе громкости УМЗЧ отечественного потенциометра типа СП3-30в может наблюдаться нелинейность АЧХ на разных уровнях громкости. Входной каскад усилителя мощности звука выполнен на транзисторах VT1, VT7 и VT2, VT8 с каскодной нагрузкой VTЗ, VT5 и VТ4, VT6 и стабилизированными источниками тока для их питания VT10, VT9. Конденсаторы C7…C10 и C13…C16 необходимы для устранения самовозбуждения УМЗЧ. Выходной каскад УМЗЧ, как уже упоминалось выше, собран по схеме составного транзистора Дарлингтона с “раскачкой” на комплементарной паре VT15, VT16 полевых транзисторов фирмы Hitachi —2SK1058 и 2SJ162 (они же стоят в двухтактном каскоде). В качестве выходных транзисторов VТ17…VТ20 использована комплементарная пара Hi-End транзисторов фирмы National Semiconductor — NJL4281D и NJL4302D с встроенными диодами-датчиками температуры кристаллов транзисторов (VD7…VD10). По справедливому замечанию автора относительно аннотации фирмы на эти транзисторы, где сказано, что изменения падения напряжения на диодах-датчиках вполне достаточно для обеспечения температурной стабилизации выходного каскада, схема УМЗЧ дополнена проверенной схемой термостабилизации на терморезисторе R32, с подобранным, соответственно, его номиналом. Поскольку при достаточно большой выходной мощности диоды не справляются, и транзисторы начинают перегреваться. Выходной фильтр R43-C34-L1-R44, ввиду использования на выходе биполярных транзисторов, упрощен.

О радиодеталях

В схеме усилителя звука применяются пленочные полипропиленовые (типа МКР фирмы MUNDORF) конденсаторы (C1, С28) и керамические многослойные (импортный аналог К15-5 на напряжение 1600 В) конденсаторы (C2, C7…C10, С17, С18, С22…С24, С27, С29). Постоянные резисторы — импортные, металлооксидные, типа МО или МО-S. Подстроечные резисторы (R8, R24, R31) — типа 3296W-1-100LF (импортный аналог отечественного СП5-2ВБ). Мощные резисторы (R14, R23, R28, R39…R43) — металлооксидные, типа МОХ (фирмы MUNDORF).

Добавлено: продолжение ниже

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: акустика, УНЧ

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

Схема УМЗЧ с усилителем напряжения по схеме с общей базойАналоги отечественных транзисторов

xn--80a3afg4cq.xn--p1ai

---

• 
  Генератор тока своими руками
• 
  Котел утилизатор принцип работы
• 
  Почему на заземлении есть напряжение
• 
  Включение светодиода в сеть 220 вольт через конденсатор
• 
  Gaz nn ru
• 
  Бензиновый сварочный аппарат
• 
  Счетчик электроэнергии для квартиры какой выбрать
• 
  Лифтовой блок
• 
  Управление в многоквартирном доме тсж
• 
  Что значит в электричестве n и l
• 
  Какого сечения провод нужен для электроплиты