История появления
Первые полевые транзисторы были разработаны в 1973 году, а уже спустя 6 лет появились управляемые биполярные модели, в которых использовался изолированный затвор. По мере совершенствования технологии существенно улучшились показатели экономичности и качества работы таких элементов, а с развитием силовой электроники и автоматических систем управления они получили широкое распространение, встречаясь сегодня практически в каждом электроприборе.
Сегодня используются электронные компоненты второго поколения, которые способны коммутировать электроток в диапазоне до нескольких сотен Ампер. Рабочее напряжение у IGBT — транзисторов колеблется от сотен до тысячи Вольт. Совершенствующие технологии изготовления электротехники позволяют выполнять качественные транзисторы, обеспечивающие стабильную работу электроприборов и блоков питания.
MOSFET-транзисторы от компании ST
Кроме IGBT, компания ST выпускает также MOSFET-транзисторы, параметры наиболее выдающихся из которых приведены в таблице 6.
Таблица 6. Супер MOSFET-транзисторы от ST
| Наименование | VDSS, В | RDS(вкл) (при VGS=10 В) max, Ом | Ток стока (Dc)(I_D) max, A | Рассе-иваемая мощность (PD) max, Вт | Заряд переклю-чения (Qg) тип., нКл | Особенности | Заряд обратного восста-новления (Qrr) тип (нКл) | Время обратного восста-новления (trr) тип., нсек | Пиковый обратный ток (IRRM) ном., А | Тип корпуса |
| STE70NM50 | 500 | 0,05 | 70 | 600 | 190 | – | – | 552 | 42 | ISOTOP |
| STW27NM60ND | 600 | 0,016 | 21 | 160 | 80 | Fast diode | – | – | – | TO-247 |
| STW62NM60N | 600 | 0,049 | 55 | 350 | 130 | – | – | – | – | TO-247 |
| STW77N65DM5 | 650 | 0,043 | 65 | 400 | 185 | Fast diode | – | – | – | TO-247 |
| STW77N65M5 | 650 | 0,038 | 69 | 400 | 185 | – | – | – | – | TO-247 |
| STY112N65M5* | 650 | 0,019 | 93 | 450 | 360 | – | – | – | – | Max247 |
| STY60NM50 | 500 | 0,05 | 60 | 560 | 190 | – | – | 552 | 42 | Max247 |
| STY80NM60N | 600 | 0,035 | 74 | 560 | 360 | – | – | – | – | Max247 |
| * Выдающееся значение рабочего тока при низком сопротивлении открытого канала. |
Особого внимания также заслуживают высоковольтные силовые MOSFET-транзисторы: n-канальные с рабочим напряжением до +1500 В и p-канальные с рабочим напряжением до -500 В. Основные параметры транзисторов представлены в таблице 7.
Таблица 7. Высоковольтные MOSFET-транзисторы от ST
| Наименование | VDSS, В | RDS (вкл) (приVGS=10В) max, Ом | Ток стока (Dc)(I_D) max, А | Рассеива-емая мощность(PD) max, Вт | Заряд переклю-чения затвора(Qg) тип, нКл | Заряд обратного восстано-вления (Qrr) тип., нКл | Время обратного восстанов-ления (trr) тип, нсек | Макси-мальный обратный ток(IRRM) ном., А | Тип корпуса |
| n-канальные с рабочим напряжением +1500 В | |||||||||
| STFW3N150 | 1500 | 9 | 2.5 | 63 | 29,3 | – | – | – | TO-3PF |
| STFW4N150 | 1500 | 7 | 4 | 63 | 30 | – | – | – | TO-3PF |
| STP3N150 | 1500 | 12 | 2,5 | 140 | 18 | – | – | – | TO-220 |
| STP4N150 | 1500 | 7 | 3,1 | 160 | 35 | – | 510 | 12 | TO-220 |
| STW3N150 | 1500 | 9 | 2,5 | 140 | 29,3 | – | – | – | TO-247 |
| STW4N150 | 1500 | 7 | 4 | 160 | 30 | – | 510 | 12 | TO-247 |
| STW9N150 | 1500 | 2,5 | 8 | 320 | 89,3 | – | – | – | TO-247 |
| p-канальные с рабочим напряжением -500 В | |||||||||
| STD3PK50Z | 500 | 4 | -2,8 | 70 | 20 | – | – | – | DPAK |
Основные характеристики
Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции. К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:
- Максимально допустимый ток.
- Показатель управляющего напряжения.
- Внутреннее сопротивление.
- Период задержки подключения и выключения.
- Паразитная индуктивность.
- Входная и выходная емкость.
- Напряжение насыщения у эмиттера и коллектора.
- Ток отсечки эмиттера.
- Напряжение пробоя коллектора и эмиттера.
Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности. В регуляторах скорости применяются IGBT с частотой в десятки тысяч кГц, что позволяет обеспечить максимально возможную точность работы приборов.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором — IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor
В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные транзисторы (BPT) и идущие им на смену полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) [1].
MOSFET транзисторы, появившиеся в 80-х годах, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке. Высоковольтных MOSFET транзисторов с достаточно хорошими характеристиками создать пока не удается, так как сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД.
В середине 80-х годов возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине 90-х годов в каталогах ряда компаний (среди которых одной из первых была International Rectifier) появились транзисторы IGBT. В настоящее время в каталогах всех ведущих производителей мощных полупроводниковых приборов можно найти эти транзисторы.
Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.
IGBT-прибор представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного MOSFET-транзистора с индуцированным каналом (рис. 1,а).
Рис. 1. Эквивалентные схемы IGBT транзистора
IGBT-приборы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и MOSFET-транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации). В то же время потери у них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у полевых транзисторов. Максимальное напряжение IGBT-транзисторов ограничено только технологическим пробоем и уже сегодня выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4000 В. при этом остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии не превышает 2 3 В.
По быстродействию силовые IGBT-приборы пока уступают MOSFET-транзисторам, но превосходят биполярные.
Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис. 2а. Она содержит в стоковой области дополнительный p+-слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи. При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обедненной области эпитаксиального n-слоя. При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора. Между внешними выводами ячейки ? коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП транзистора оказывается усиленным в (B+1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n-область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.
Рис.2. Структуры элементарных ячеек IGBT транзисторов
Напряжение на открытом приборе складывается из напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе p-n-p-транзистора (диодная составляющая) и падения напряжения на сопротивлении модулируемой n-области (омическая составляющая):
,
где RМДП — сопротивление MOSFET транзистора в структуре IGBT (сопротивление эпитаксиального n-слоя); b — коэффициент передачи базового тока биполярного p-n-p-транзистора.
В настоящее время для уменьшения падения напряжения на IGBT транзисторах в открытом состоянии, расширения диапазонов допустимых токов, напряжений и области безопасной работы они изготавливаются по технологии с вертикальным затвором — trench-gate technology (рис. 2б). При этом размер элементарной ячейки уменьшается в 2 5 раз.
Как правило, в области рабочих токов, на которые проектируется структура IGBT, остаточное напряжение на приборе слабо зависит от температуры (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость падения напряжения на открытом приборе от температуры для высоковольтного MOSFET транзистора IRF840 и IGBT транзисторов при токе 10 А
Усилительные свойства IGBT-прибора характеризуются крутизной S, которая определяется усилительными свойствами МДП и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП транзисторами.
Динамические характеристики IGBT структуры определяются внутренними паразитными емкостями, состоящими из межэлектродных емкостей МДП транзистора и дополнительных емкостей p-n-p-транзистора.
Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2 0,4 и 0,2 1,5 мкс соответственно. Область безопасной работы современных IGBT транзисторов позволяет успешно обеспечить их надежную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц.
Типовые характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис. 4-6 [2].
Рис. 4. Семейство выходных вольт-амперных характеристик IGBT-транзистора
Рис. 5. Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвор-эмиттер
Рис. 6. Динамические характеристики IGBT транзисторов(для полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой): td(on) и td(off) — времена задержки переключения; tr — время нарастания коллекторного тока; tf — время спада коллекторного тока
В общем случае выход из строя IGBT-транзисторов связан с нарушением границ области безопасной работы. Основная часть аварийных ситуаций связана с превышением максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер. Индуктивная нагрузка и переходные режимы напряжения питания коллекторной цепи также могут вызвать разрушение IGBT-приборов. В настоящее время, нет проблем купить IGBT транзисторы. Интернет магазин Dalincom предлагает большой выбор современных IGBT транзисторов по низим ценам.
Неприятной особенностью IGBT-транзисторов некоторых производителей является эффект «защелки», который связан с наличием триггерной схемы, образованной биполярной частью IGBT-структуры и паразитным n-p-n транзистором (рис. 1б). При определенных условиях работы, когда напряжение на паразитном резисторе Rs превышает некоторое пороговое значение, n-p-n транзистор открывается, триггер опрокидывается и происходит защелкивание. Следствием этого, как правило, является лавинообразный выход прибора из строя.
При разработке электронных схем с использованием IGBT-транзисторов в которых такая ситуация возможна, следует особое внимание уделять ограничению максимальных токов и ограничению dV/dt. Для ограничения тока короткого замыкания при аварийном режиме рекомендуется включение между затвором и эмиттером защитной цепи, предотвращающей увеличение напряжения затвор-эмиттер при резком нарастании тока коллектора. Наилучшим вариантом является подключение параллельно цепи затвор-эмиттер последовательно соединенных диода Шоттки и конденсатора, заряженного до напряжения +15 +16 В. Допускается применение в качестве защитного элемента стабилитрона на напряжение 15 16 В.
Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер следует применять снабберные RC- и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах [1].
Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для нормального включения и перевода IGBT-транзистора в состояние насыщения при обеспечении минимальных потерь в этом состоянии необходим заряд входной емкости прибора (1000 5000 пФ) до +15 В ±10%. Перевод прибора в закрытое состояние может осуществляться как подачей нулевого напряжения, так и отрицательного — не более 20 В (обычно в пределах 5 6 В). Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер не должно превышать +20 В. Превышение этого напряжения может пробить изоляцию затвора и вывести прибор из строя. Не рекомендуется работа IGBT-транзистора и при «подвешенном» затворе, так как в противном случае возможно ложное включение прибора.
С целью снижения динамических потерь и увеличения частоты коммутации необходимо обеспечить малое время переключения прибора. Время переключения для большинства ключей на IGBT-транзисторах лежит в пределах 100 1000 нс, что требует обеспечивать перезаряд входной емкости в течение короткого времени с помощью токовых пиков до 5 А и более. Необходимо также уменьшать отрицательную обратную связь, которая может возникнуть из-за индуктивности слишком длинного соединительного проводника к эмиттеру прибора.
Длина соединительных проводников между управляющей схемой и мощным полевым транзистором должна быть минимальной для исключения помех в цепи управления. Для соединения целесообразно использовать витую пару минимальной длины или прямой монтаж платы управляющей схемы на выводы управления транзистора. Если не удается избежать длинных проводников в цепи затвора, то в качестве меры предосторожности необходимо включить последовательно с затвором резистор с небольшим сопротивлением. Обычно достаточно, чтобы сопротивление этого резистора лежало в диапазоне 100 200 Ом.
Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как, например, КМОП-приборы, из-за того, что входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему. Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10 20 кОм.
Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис. 7.
Рис. 7. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов
Компания International Rectifier (IR) выпускает четыре семейства IGBT-транзисторов, ориентированных на применение в различных областях силовой электроники. Разделение по классам идет по диапазону рабочих частот. Так выделяют семейства Standart, Fast, UltraFast, Warp (табл. 1).
Таблица 1. Сравнительные характеристики различных семейств IGBT-транзисторов компании IR
| Параметр | Семейства IGBT-транзисторов | |||
| Standart | Fast | UltraFast | Warp | |
| Uкэ, В | 1,3 | 1,5 | 1,8 | 2,1 |
| Энергия переключения, мДж/А?мм2 | 0,54 | 0,16 | 0,055 | 0,03 |
| Статические потери, Вт | 0,625 | 0,75 | 0,95 | 1,1 |
Транзисторы семейства Standart оптимизированы на применение в цепях, где необходимо малое падение напряжения на ключе и малые статические потери.
Транзисторы семейства UltraFast и Warp оптимизированы на применение в ВЧ цепях, где необходимо иметь малые динамические потери. Малая энергия переключения позволяет использовать транзисторы Warp вплоть до частот 150 кГц, а транзисторы UltraFast — до 60 кГц при приемлемом уровне динамических потерь.
Транзисторы семейства Fast являются некоторым компромиссом между рассмотренными семействами. Обладая невысоким падением напряжением и приемлемыми потерями, транзисторы Fast могут использоваться в цепях, где не требуется очень высокие скорости переключения, в схемах, где применение Standart приведет к большим динамическим потерям, а применения Warp приведет к высоким статическим потерям. По скоростям переключения сравнимы с биполярными транзисторами.
В рекомендациях по применению компания International Rectifier указывает, что в IGBT транзисторах нового поколения триггерная структура подавлена полностью. Кроме этого обеспечивается почти прямоугольная область безопасной работы.
Цифро-буквенное обозначение IGBT-транзисторов, выпускаемых компанией приведено на рис. 8.
Рис. 8. Обозначение IGBT-транзисторов компании IR
В табл. 2 приведены параметры IGBT-транзисторов средней мощности с максимальным напряжением 600 В, которые находят широкое применение в бытовой и офисной технике [3].
Таблица 2. IGBT-транзисторы компании IR
| Наименование | Корпус | Рабочие частоты, кГц | Uкэ макс, В | Uкэ вкл, В | Iк (25°C) | Iк (100°C) | Р, Вт |
| IRG4BC10K | TO-220AB | 8-25 | 600 | 2,62 | 9,0 | 5,0 | 38 |
| IRG4BC10S | TO-220AB | ?1 | 600 | 1,70 | 14 | 8,0 | 38 |
| IRG4BC20F | TO-220AB | 1-8 | 600 | 2 | 16 | 9 | 60 |
| IRG4BC20FD-S | D2-Pak | 1-8 | 600 | 1,66 | 16 | 9 | 60 |
| IRG4BC20K (-S) | TO-220AB (D2-Pak) | 8-25 | 600 | 2,80 | 16 | 9,0 | 60 |
| IRG4BC20S | TO-220AB | ?1 | 600 | 1,6 | 19 | 10 | 60 |
| IRG4BC20U | TO-220AB | 8-60 | 600 | 2,1 | 13 | 6,5 | 60 |
| IRG4BC20W (-S) | TO-220AB (D2-Pak) | 60-150 | 600 | 2,60 | 13 | 6,5 | 60 |
| IRG4BC30F | TO-220AB | 1-8 | 600 | 1,8 | 31 | 17 | 100 |
| IRG4BC30K (-S) | TO-220AB (D2-Pak) | 8-25 | 600 | 2,70 | 28 | 16 | 100 |
| IRG4BC30S (-S) | TO-220AB (D2-Pak) | ?1 | 600 | 1,60 | 34 | 18 | 100 |
| IRG4BC30U | TO-220AB | 8-60 | 600 | 2,1 | 23 | 12 | 100 |
| IRG4BC30U-S | D2-Pak | 8-60 | 600 | 1,95 | 23 | 12 | 100 |
| IRG4BC30W (-S) | TO-220AB (D2-Pak) | 60-150 | 600 | 2,70 | 23 | 12 | 100 |
| IRG4BC40F | TO-220AB | 1-8 | 600 | 1,7 | 49 | 27 | 160 |
| IRG4BC40K | TO-220AB | 8-25 | 600 | 2,6 | 42 | 25 | 160 |
| IRG4BC40S | TO-220AB | ?1 | 600 | 1,5 | 60 | 31 | 160 |
| IRG4BC40U | TO-220AB | 8-60 | 600 | 2,10 | 40 | 20 | 160 |
| IRG4BC40W | TO-220AB | 60-150 | 600 | 2,50 | 40 | 20 | 160 |
| IRG4IBC20W | TO-220 FullPak | 60-150 | 600 | 2,60 | 11,8 | 6,2 | 34 |
| IRG4IBC30S | TO-220 FullPak | ?1 | 600 | 1,6 | 23,5 | 13 | 45 |
| IRG4IBC30W | TO-220 FullPak | 60-150 | 600 | 2,70 | 17 | 8,4 | 45 |
| IRG4PC30F | TO-247AC | 1-8 | 600 | 1,80 | 31 | 17 | 100 |
| IRG4PC30K | TO-247AC | 8-25 | 600 | 2,70 | 28 | 16 | 100 |
| IRG4PC30S | TO-247AC | ?1 | 600 | 1,60 | 34 | 18 | 100 |
| IRG4PC30U | TO-247AC | 8-60 | 600 | 2,10 | 23 | 12 | 100 |
| IRG4PC30W | TO-247AC | 60-150 | 600 | 2,70 | 23 | 12 | 100 |
| IRG4PC40F | TO-247AC | 1-8 | 600 | 1,70 | 49 | 27 | 160 |
| IRG4PC40K | TO-247AC | 8-25 | 600 | 2,6 | 42 | 25 | 160 |
| IRG4PC40S | TO-247AC | ?1 | 600 | 1,50 | 60 | 31 | 160 |
| IRG4PC40U | TO-247AC | 8-60 | 600 | 2,10 | 40 | 20 | 160 |
| IRG4PC40W | TO-247AC | 60-150 | 600 | 2,50 | 40 | 20 | 160 |
| IRG4PC50F | TO-247AC | 1-8 | 600 | 1,60 | 70 | 39 | 200 |
| IRG4PC50K | TO-247AC | 8-25 | 600 | 2,20 | 52 | 30 | 200 |
| IRG4PC50S | TO-247AC | ?1 | 600 | 1,36 | 70 | 41 | 200 |
| IRG4PC50S-P | SM TO-247 | ?1 | 600 | 1,36 | 70 | 41 | 200 |
| IRG4PC50U | TO-247AC | 8-60 | 600 | 2,00 | 55 | 27 | 200 |
| IRG4PC50W | TO-247AC | 60-150 | 600 | 2,30 | 55 | 27 | 200 |
| IRG4PC60F | TO-247AC | 1-8 | 600 | 1,80 | 90 | 60 | 520 |
| IRG4PC60U | TO-247AC | 8-60 | 600 | 2,00 | 75 | 40 | 520 |
| IRG4PSC71K | TO-274AA | 8-25 | 600 | 2,30 | 85 | 60 | 350 |
| IRG4PSC71U | TO-274AA | 8-60 | 600 | 2,00 | 85 | 60 | 350 |
| IRG4RC10K | D-Pak | 8-25 | 600 | 2,62 | 9 | 5 | 38 |
| IRG4RC10S | D-Pak | ?1 | 600 | 1,7 | 14 | 8 | 38 |
| IRG4RC10U | D-Pak | 8-60 | 600 | 2,6 | 8.5 | 5 | 38 |
| IRG4RC20F | D-Pak | 1-8 | 600 | 2,1 | 22 | 12 | 66 |
| IRGB30B60K | TO-220AB | 10-30 | 600 | 2,35 | 78 | 50 | 370 |
| IRGB4B60K | TO-220AB | — | 600 | 2,5 | 12 | 6,8 | 63 |
| IRGB6B60K | TO-220AB | 10-30 | 600 | 1,80 | 13 | 7 | 90 |
| IRGB8B60K | TO-220AB | 10-30 | 600 | 2,2 | 17 | 9,0 | 140 |
| IRGS30B60K | D2-Pak | 10-30 | 600 | 2,35 | 78 | 50 | 370 |
| IRGS4B60K | D2-Pak | — | 600 | 2,5 | 12 | 6,8 | 63 |
| IRGS6B60K | D2-Pak | 10-30 | 600 | 1,80 | 13 | 7 | 90 |
| IRGS8B60K | D2-Pak | 10-30 | 600 | 2,2 | 17 | 9,0 | 140 |
| IRGSL30B60K | TO-262 | 10-30 | 600 | 2,35 | 78 | 50 | 370 |
| IRGSL4B60K | TO-262 | — | 600 | 2,5 | 12 | 6,8 | 63 |
| IRGSL6B60K | TO-262 | 10-30 | 600 | 1,80 | 13 | 7 | 90 |
| IRGSL8B60K | TO-262 | 10-30 | 600 | 2,2 | 17 | 9,0 | 140 |
Литература
1. Дьяконов В.П., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Москва: Солон-Р, 2002, 512 с.
2. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение. Москва: Додэка, 2001, 384 с.
Андрей Образцов, Вячеслав Смердов Копирование статьи запрещено. Эксклюзивное право размещения предоставлено журналом Ремонт и Сервис
Преимущества и недостатки
Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик. Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами, характеристиками и многочисленными преимуществами:
- Возможность эксплуатации с высокой мощностью и повышенным напряжением.
- Работа при высокой температуре.
- Минимальные потери тока в открытом виде.
- Устойчивость к короткому замыканию.
- Повышенная плотность.
- Практически полное отсутствие потерь.
- Простая параллельная схема.
К недостаткам IGBT относят их высокую стоимость, что приводит к некоторому увеличению расходов на изготовление электроприборов и мощных блоков питания. При планировании схемы подключения с транзисторами этого типа необходимо учитывать имеющиеся ограничения по показателю максимально допустимого тока. Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:
- Использование обходного пути коммутации.
- Выбор сопротивления затвора.
- Правильный подбор показателей тока защиты.
Электросхемы устройств должны разрабатывать исключительно профессионалы, что позволит обеспечить правильность работы техники, отсутствие коротких замыканий и других проблем с электроприборами. При наличии качественной схемы подключения, реализовать ее не составит труда, выполнив своими руками силовой блок, питание и различные устройства.
Преимущества IGBT транзисторов
- Высокая плотность тока.
- Практически отсутствие потерь статического и динамического типа.
- Отсутствие управляющего тока позволяет не прибегать к использованию гальванически изолированных схем для работы и управления с применением дискретных элементов и предоставляет возможность создания интегральных схем – драйверов.
- Стойкость к воздействию короткого замыкания.
- Относительная простота параллельного соединения.
При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока. Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.
Устройство и принцип работы
Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.
Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:
- К — коллектор.
- Э — эмиттер.
- З — затвор.
Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.
Основным назначением IGBT транзисторов является их приближение к безопасному значению токов замыкания. Такие токи могут ограничивать напряжение затвора различными методами.
Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.
Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.
В цепь может включаться эмиттер с отрицательной обратной связью. Подобное возможно в тех случаях, когда драйвер затвора подключён к клеммам модуля.
Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов. Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.
Интеллектуальные силовые модули (IPM) на базе IGBT-семейства SLLIMM от ST
Семейство SLLIMM интеллектуальных силовых модулей создано для удовлетворения требований широкого класса конечных приложений в диапазоне мощностей от 300 Вт до 2,0 кВт, таких как:
- Стиральные машины
- Посудомоечные машины
- Холодильники
- Драйверы компрессоров кондиционеров воздуха
- Швейные машины
- Насосы
- Электроинструменты
- Промышленные устройства управления малой мощности
Интеллектуальные силовые модули (IPM) на базе IGBT расширяют диапазон продуктов компании ST для силовых приложений. Это — решения с превосходными тепловыми характеристиками, которые упрощают разработку, объединяя специфичные для приложений IGBT и диоды, запатентованные функции управления, интеллектуальную защиту и множество дополнительных функций.
Модули IPM допускают непосредственное подключение к микроконтроллерам, преобразуя выходные сигналы микроконтроллера в мощные высоковольтные сигналы необходимой для управления электродвигателями формы. Один модуль способен заменить более 30 дискретных компонентов, значительно повышая надежность и уменьшая размер и стоимость изделий. На рисунке 3 показаны преимущества замещения дискретных компонентов интеллектуальным модулем.
Рис. 3. Преимущества замещения дискретных компонентов интеллектуальным модулем
В состав каждого интеллектуального модуля входят следующие узлы и компоненты:
- Трехфазный IGBT мостовой инвертор, включающий:
- Шесть IGBT с малыми потерями и схемами защиты от коротких замыканий,
- Шесть диодов свободного хода (freewheeling) с малым падением напряжения и плавным восстановлением;
- Функцию интеллектуального отключения,
- Компаратор для защиты от превышения током предельно допустимого значения при коротком замыкании,
- Операционный усилитель для увеличения чувствительности датчика тока,
- Три интегрированных ограничительных диода,
- Функцию взаимного отключения,
- Блокировку при перегрузках по напряжению;
Модули IPM компании ST используют корпуса, выполненные по технологии DBC (direct-bond copper) — прямой металлизации медью, и процессы вакуумной сварки, что гарантирует лучший отвод тепла и меньшее электрическое сопротивление и позволяет получать большие удельные мощности и увеличивать надежность систем.
Сфера использования
Сегодня IGBT транзисторы применяются в сетях с показателем напряжения до 6,5 кВт, обеспечивая при этом безопасную и надежную работу электрооборудования. Имеется возможность использования инвертора, частотно регулируемых приводов, сварочных аппаратов и импульсных регуляторов тока.
Сверхмощные разновидности IGBT используются в мощных приводах управления троллейбусов и электровозов. Их применение позволяет повысить КПД, обеспечив максимально возможную плавность хода техники, оперативно управляя выходом электродвигателей на их полную мощность. Силовые транзисторы применяются в цепях с высоким напряжением. Они используются в схемах бытовых кондиционеров, посудомоечных машин, блоков питания в телекоммуникационном оборудовании и в автомобильном зажигании.
Корпусирование и система обозначений транзисторов Gen6
Транзисторы 6‑го поколения выпускаются в стандартизованных корпусах для SMD-монтажа (D2PAK) и сквозного монтажа (монтажа в отверстия) — TO‑220, ТО‑247 (со стандартными и удлиненными выводами), а также Super TO‑247 с улучшенной теплоотдачей. Удлиненные выводы могут быть полезны при специфическом размещении силовых компонентов в дизайне (невозможность установки радиатора непосредственно на плате, необходимость специфической формовки выводов и т. п.).
Корпус Super TO‑247 (он же TO‑274) имеет более низкое тепловое сопротивление и лучше отводит тепло от кристалла и от самого корпуса. Корпус занимает такую же площадь, как стандартный ТО‑247, и одновременно обладает оптимальными тепловыми характеристиками и нагрузочной способностью более крупного корпуса ТО‑264. У Super TO‑247 отсутствует крепежное отверстие, и для плотного контакта корпуса с радиатором используется монтажная клипса, которая прижимает транзистор и обеспечивает надежный тепловой контакт поверхности корпуса транзистора с поверхностью радиатора [3]. В корпусах Super TO‑247 выпускаются транзисторы с рабочим током до 240 А (IRGPS4067DPBF).
На рис. 4 приведена система обозначений, используемая для обозначения IGBT-транзисторов 6‑го поколения компании IR.
Рис. 4. Система обозначений транзисторов 6 го поколения
Проверка исправности
Ревизия и тестирование IGBT полупроводников выполняется при наличии неисправностей электрических устройств. Такую проверку проводят с использованием мультитестера, прозванивая коллекторы и электроды с эмиттером в двух направлениях. Это позволит установить работоспособность транзистора и исключит отсутствие замыкания. При проверке необходимо отрицательно зарядить вход затвора, используя щупы мультиметров типа COM .
Для проверки правильности работы транзистора на входе и выходе затвора заряжают ёмкость положительным полюсом. Выполняется такая зарядка за счёт кратковременного касания щупом затвора, после чего проверяется разность потенциала коллектора и эмиттера. Данные потенциалов не должны иметь расхождение более 1,5 Вольта. Если тестируется мощный IGBT, а тестера не будет хватать для положительного заряда, на затвор подают напряжение питания до 15 Вольт.
Пробой затвора
Затвор является самым чувствительным элементом IGBT-модуля, поэтому должны быть приняты соответствующие меры предосторожности. Пробой затвора связан с разрушением тонкого подзатворного диэлектрика и происходит при напряжении на затворе 70–80 В. Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер при эксплуатации ограничено значением ± 20 В. Тем не менее пробой затвора остается достаточно распространенным видом повреждений, который встречается даже у опытных потребителей.
Очень часто для монтажа IGBT-модулей применяют паяльники, работающие от сети 220 В. В этом случае всегда есть вероятность пробоя изоляции в паяльнике и попадания на затвор модуля недопустимо высокого напряжения, которое приведет к пробою затвора.
Еще одна причина повреждения затвора — ненадежные контакты к управляющим выводам. Если в готовом устройстве при наличии высокого напряжения «коллектор-эмиттер» произойдет нарушение контакта или обрыв эмиттерного управляющего вывода, то могут возникнуть осцилляция напряжения в управляющей цепи и высокочастотные колебания тока коллектора, которые в свою очередь через емкость между коллектором и затвором вызывают увеличение напряжения в цепи затвора выше предельно допустимого значения.
Чтобы избежать подобных неприятностей, необходимо соблюдение следующих требований:
- наличие антистатического покрытия на рабочих местах;
- обязательное наличие у персонала подключенных к заземлению антистатических браслетов;
- наличие гальванически развязанных от сети и заземленных паяльников;
- обеспечение надежного соединения управляющих выводов с модулями.
Мощные модули
Силовые транзисторы изготавливаются не только отдельными полупроводниками, но и уже собранными готовыми к использованию модулями. Такие приспособления входят в состав мощных частотных преобразователей в управлении электромоторами. В каждом конкретном случае схема и принцип работы модуля будут различаться в зависимости от его типа и предназначения. Чаще всего в таких устройствах используется мост, выполненный на основе двух силовых транзисторов.
Стабильная работа IGBT обеспечивается при частоте 150 килогерц. При повышении рабочей частоты могут увеличиваться потери, что отрицательно сказывается на стабильности электроприборов. Силовые транзисторы все свои преимущества и возможности проявляют при использовании с напряжением более 400 Вольт. Поэтому такие полупроводники чаще всего применяют в промышленном оборудовании и электроприборах высокого напряжения.
Модуль IGBT для преобразователя частоты
Со схемой управления IGBT-модули связываются при помощи драйверов, так как встроенных драйверов модули не имеют. Это специальные интегральные схемы, которые позволяют эффективно управлять затворами IGBT и выжать из них максимальную эффективность. Главное, для чего нужны драйверы – до предела снизить времена переключения IGBT, и, тем самым, приблизить их к идеальному ключу из учебников по электротехнике. Затем, согласовать их со схемой управления электрически, в том числе, обеспечить гальваническую развязку при необходимости.
Если для усиления частотного преобразователя используются внешние модули IGBT, то остается только подключить к ним выходы драйверов. Ниже показана схема модуля для преобразователя частоты:
Модуль крепится винтами на охлаждающий алюминиевый радиатор через теплопроводящую свинцовую пасту или специальные керамические прокладки. Эти поверхности должны лежать строго в одной плоскости и быть совершенно чистыми при сборке! Иначе не будет обеспечен достаточный теплоотвод. Кстати, о температуре. В модуль встроен термисторный датчик температуры (клеммы 22 и 23). Рабочая температура в модуле не должна превышать 100°C. Для снятия достаточного тока сделаны дополнительные петли на силовых контактах (модуль выполнен под пайку).
Контакты 1,2,3; 4,5,6; 7,8,9 подключаются к питающей трехфазной сети.
Контакты 38,39,40 являются плюсовой шиной сетевого выпрямителя, а контакты 41,42,43 – отрицательной.
Контакты 33,34,35 являются плюсовой шиной выходного инверторного моста, а контакты 30,31,32 – отрицательной. Последние четыре перечисленные группы, а также контакт 29, группа 36,37 образуют выходы для звена постоянного тока.
Контакты 10, 28 служат для подключения к драйверу, управляющему работой выходной фазы частотника. Аналогичную роль играют группы 14, 26 и 18, 24 для двух оставшихся фаз. Контакты 11, 12, 13 – это выход одной фазы инвертора, а группы 15,16,17 и 19,20,21 выходы двух остальных фаз.
Правильные временные диаграммы ШИМ и достаточная эффективность драйверов, которые должны справиться с зарядкой и разрядкой емкости затвора транзистора, – это залог того, что двигатель вообще будет вращаться и ничего не сгорит. Поэтому инверторный мост предварительно надо запитать от маломощного источника постоянного тока с ограничением тока и убедиться, при помощи осциллографа, в отсутствии сквозных токов, правильности “синусов”, формируемых мостом, правильном сдвиге фаз, на всех частотах, которые выдает преобразователь. Питание управления в частотном преобразователе также подается лабораторным способом.
Сигнал обратной связи по температуре модуля также должен быть корректным. Подогревая модуль каким-либо способом в пределах 20…80°C, необходимо контролировать его фактическую температуру точным термометром. Затем найти в меню преобразователя пункт с соответствующим параметром, проконтролировать его.
Если мы убедимся, что драйверы надежно управляют модулем, а сигнал обратной связи по температуре не содержит ошибок, то тогда можно делать монтаж, собирать звено постоянного тока и затем снова сделать проверку на двигателе небольшой мощности, через предохранители, рассчитанные на соответствующий ток, включаемые в каждую фазу.
