Основное применение БТИЗ — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы. При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки. Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений.

Модуль IGBT

Объединение полупроводниковых элементов реализовано структурой элементных ячеек в одном кристалле. Биполярные транзисторы с изолированным затвором находят очень широкое применение в современной электронике. В проводящем или включенном режиме ток течет от коллектора к эмиттеру. Разница между напряжением затвор-эмиттер называется Vge, а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .

Но, как мы знаем, МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета коэффициента усиления биполярных транзисторов, неприменима для технологии MOSFET. Напряжение затвора МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой соотношение изменений выходного напряжения с изменениями входного напряжения.

Это существенно увеличивает стоимость преобразователей и усложняет их производство. На следующем рисунке показана передаточная характеристика IGBT транзистора. IGBT перейдет в состояние «ON» после того, как Vge превысит пороговое значение, зависящее от спецификации IGBT. Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами. Выпускаются как отдельные приборы IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе.

В некоторых случаях БТИЗ и МОП-транзисторы полностью взаимозаменяемы, цоколёвка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12—15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения, как запираемый тиристор. Но «управляемый напряжением» не означает, что при переключении БТИЗ в цепи затвора отсутствует ток.

БТИЗ применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт). Полупроводниковые устройства могут применяться при напряжении 10 кВ и коммутации токов до 1200 А. На базе IGBT производят частотные преобразователи для электроприводов, бестрансформаторные конверторы и инверторы, сварочное оборудование, регуляторы тока для мощных приводов. Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь.

Выпускаются как отдельные приборы БТИЗ, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока. Для эффективного охлаждения полупроводниковых модулей необходимо подготовить поверхность радиатора и обеспечить плотное прилегание подложки прибора к охладителю. Шероховатость поверхностей должна быть не более 10 мкм, отклонение от параллельности –меньше 20 мкм на расстоянии до 10 см. Для борьбы с токами короткого замыкания в цепь «затвор – эмиттер» включают защиту. Для ограничения перенапряжений при переключении транзисторов используют RC- и RCD-фильтры, включаемые в силовую цепь.

Характеристики IGBT транзистора

Приведем сравнительную таблицу, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT, силовым биполярным транзистором и силовым MOSFET. Для затяжки применяют электронные инструменты с небольшой частотой вращения и функцией контроля усилий. Применять пневматику нельзя, такой инструмент недостаточно точен и может создать избыточное усилие затяжки, которое приводит к напряжениям на корпусе прибора и трещинам полупроводникового кристалла. Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь. В правой схеме ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS . БТИЗ широко применяются в инверторных источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе электрическом транспорте (после распространения асинхронных тяговых электродвигателей вместо ТЭД постоянного тока).

• Позднее, в 1985 году, был разработан БТИЗ с полностью планарной структурой (без V-канала) и более высокими рабочими напряжениями.
• При параллельном включении также учитывают увеличившуюся входную емкость, драйвер управления должен обеспечить заданную скорость коммутации.
• Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники.
• RL — это резистивная нагрузка, подключенная между эмиттером IGBT и землей.
• Для борьбы с токами короткого замыкания в цепь «затвор – эмиттер» включают защиту.
• При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки.
• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или биполярный силовой транзистор с изолированным затвором – элемент из двух транзисторов в общей полупроводниковой структуре, устроенный по каскадной схеме.
• Разница в параметрах приводит к несимметричному току на транзисторах.
• Для затяжки применяют электронные инструменты с небольшой частотой вращения и функцией контроля усилий.

Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей. Напряжение цепи «коллектор-эмиттер» для снижения динамических потерь и обеспечения стабильной работы транзистора при отпирании ключа должно составлять +15±10% В, при запирании -7…-15 В. Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для одного транзистора, можно подключать модули параллельно. Падение напряжения на открытом IGBT зависит от температуры гораздо меньше аналогичного параметра MOSFET-транзисторов. На рисунке приведен график падения напряжения в функции температуры для 2 IGBT транзисторов и одного полевого прибора.

На изображении выше показано использование IGBT транзистора для переключения. RL — это резистивная нагрузка, подключенная между эмиттером IGBT и землей. Нагрузка подключается через коллектор, а резистор токовой защиты подключается к эмиттеру. В схемах преобразователей используют двухоперационные тиристоры с управляющими электродами (GTO и IGCT), силовые биполярные (БП) и полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). В случае биполярного транзистора нам необходимо подавать постоянный ток через его базу.

Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменения выходного тока к изменению напряжения на входном затворе . Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и обычного биполярного транзистора транзистора , он имеет преимущества как транзисторов, так и MOSFET. По сути, IGBT — это полупроводник, управляемый напряжением , который обеспечивает большие токи коллектор-эмиттер при почти нулевом токе затвора. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или биполярный силовой транзистор с изолированным затвором – элемент из двух транзисторов в общей полупроводниковой структуре, устроенный по каскадной схеме. Биполярный транзистор образует силовой канал, полевой – канал управления.

Эквивалентная схема и обозначение IGBT

Применение биполярных транзисторов существенно ограничивает невысокий коэффициент передачи тока, значительный температурный разброс этого параметра, управление знакопеременным напряжением, невысокая плотность тока силовой цепи. Первые силовые электронные устройства были выполнены на базе тиристоров и биполярных транзисторов. Первые при всех своих достоинствах не могут обеспечить необходимое быстродействие, управляемые тиристоры используют в среднечастотной области.

• Применять пневматику нельзя, такой инструмент недостаточно точен и может создать избыточное усилие затяжки, которое приводит к напряжениям на корпусе прибора и трещинам полупроводникового кристалла.
• Второе (появилось в 1990-е годы) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавлено от этих недостатков.
• Они определяются по графику и зависят от частоты коммутаций, температуры, напряжения на коллекторе, тока в момент переключения.
• Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами.
• Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета коэффициента усиления биполярных транзисторов, неприменима для технологии MOSFET.
• Время рассасывания заряда для IGBT прибора составляет всего 0,2-1,5 мкс, при коммутации с частотой кГц для надежной работы транзисторов не нужно включать в схему дополнительные цепи.
• БТИЗ применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт).
• Между электродами и переходами полевой и биполярной элементной ячейки образуются паразитные емкости.
• Динамические потери возникают при открывании и запирании транзистора.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

ВАХ IGBT транзистора почти идентична кривой передачи биполярного транзистора, но только на ней вместо тока показано Vge, поскольку IGBT является устройством, управляемым напряжением. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно включить и выключить, активировав его затвор. Это то же самое, что и переключение биполярного транзистора и MOSFET. При транспортировке, монтаже и эксплуатации IGBT должна учитываться чувствительность модулей к статическим зарядам.

Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на кОм. При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа. Работы по установке необходимо проводить в антистатических браслетах.