Tranzystory IGBT: zasada działania, rodzaje półprzewodników, główne parametry elementów mocy

Tranzystory bipolarne IGBT są szeroko stosowane w energoelektronice. Są to niezawodne i niedrogie komponenty, które są sterowane poprzez zasilenie izolowanego elementu z obwodu. IGBT to tranzystor, którego zasada działania jest niezwykle prosta. Znajduje zastosowanie w falownikach, układach sterowania napędem elektrycznym i zasilaczach impulsowych.

Historia pojawienia się

Pierwsze tranzystory polowe zostały opracowane w 1973 roku, a po 6 latach pojawiły się sterowane modele bipolarne, w których zastosowano izolowaną bramkę. Wraz z doskonaleniem technologii wskaźniki wydajności i jakości pracy takich elementów uległy znacznej poprawie, a wraz z rozwojem energoelektronika i automatyka, stały się szeroko rozpowszechnione, spotykane dziś w prawie każdym urządzenie elektryczne.

Obecnie stosuje się elementy elektroniczne drugiej generacji, które są w stanie przełączać prądy elektryczne w zakresie do kilkuset amperów. Napięcie robocze tranzystorów IGBT waha się od setek do tysięcy woltów. Ulepszone technologie wytwarzania elektrotechniki umożliwiają wytwarzanie wysokiej jakości tranzystorów, które zapewniają stabilną pracę urządzeń elektrycznych i zasilaczy.

Główna charakterystyka

Zasada działania tranzystorów i ich charakterystyka będzie bezpośrednio zależeć od rodzaju urządzenia i jego konstrukcji. Do głównych parametrów półprzewodników należą:

• Maksymalny dopuszczalny prąd.
• Wskaźnik napięcia sterującego.
• Wewnętrzny opór.
• Okres opóźnienia połączenia i rozłączenia.
• Indukcyjność pasożytnicza.
• Pojemność wejściowa i wyjściowa.
• Napięcie nasycenia na emiterze i kolektorze.
• Prąd odcięcia emitera.
• Napięcie przebicia kolektora i emitera.

Potężne tranzystory IGBT, które są stosowane w zasilaczach inwerterowych, są dziś szeroko stosowane. Takie urządzenia łączą jednocześnie moc, wysoką dokładność i minimalną indukcyjność pasożytniczą. Kontrolery prędkości wykorzystują tranzystory IGBT o częstotliwości dziesiątek tysięcy kHz, co pozwala zapewnić najwyższą możliwą dokładność urządzeń.

Zalety i wady

Dziś w sprzedaży możesz wybrać różne modele półprzewodników, które będą się różnić częstotliwością roboczą, pojemnością i szeregiem innych cech. Popularność tranzystorów IGBT wynika z ich doskonałych parametrów., cechy i liczne zalety:

• Możliwość pracy z dużą mocą i podwyższonym napięciem.
• Pracuj w wysokich temperaturach.
• Minimalne straty prądu w obwodzie otwartym.
• Odporność na zwarcie.
• Zwiększona gęstość.
• Prawie całkowity brak strat.
• Prosty obwód równoległy.

Wady tranzystorów IGBT obejmują ich wysoki koszt, co prowadzi do niewielkiego wzrostu kosztów produkcji urządzeń elektrycznych i potężnych zasilaczy. Planując schemat połączeń z tranzystorami tego typu, należy wziąć pod uwagę istniejące ograniczenia w zakresie maksymalnego dopuszczalnego prądu. Aby rozwiązać takie problemy, możesz skorzystać z następujących rozwiązań projektowych:

• Korzystanie z ronda ścieżki przełączania.
• Wybór rezystancji bramy.
• Prawidłowy dobór wskaźników prądu ochrony.

Schematy połączeń urządzeń powinny być opracowywane wyłącznie przez profesjonalistów, co zapewni prawidłowe działanie sprzętu, brak zwarć i innych problemów z urządzeniami elektrycznymi. Jeśli masz wysokiej jakości schemat połączeń, nie będzie trudno go wdrożyć, tworząc własny zasilacz, zasilacz i różne urządzenia.

Urządzenie i zasada działania

Wewnętrzna struktura tranzystora IGBT składa się z dwóch kaskadowych przełączników elektronicznych, które sterują końcową mocą wyjściową. W każdym przypadku, w zależności od mocy i innych wskaźników, konstrukcja urządzenia może się różnić, w tym dodatkowe przesłony oraz inne elementy poprawiające wskaźniki mocy i dopuszczalnego napięcia, zapewniające możliwość pracy w temperaturach powyżej 100 stopnie.

Półprzewodniki typu IGBT mają znormalizowaną konstrukcję łączoną i następujące oznaczenia:

• K - kolektor.
• E - emiter.
• З - migawka.

Zasada działania tranzystora jest niezwykle prosta. Gdy tylko zostanie do niego przyłożone napięcie o dodatnim potencjale, w bramce i źródle tranzystora polowego otwiera się n-kanał, powodując ruch naładowanych elektronów. To pobudza działanie tranzystora bipolarnego, po czym prąd elektryczny zaczyna płynąć z emitera bezpośrednio do kolektora.

Głównym celem tranzystorów IGBT jest ich aproksymacja do bezpiecznej wartości prądów zwarciowych. Prądy te mogą na różne sposoby ograniczać napięcie bramki.

Wiążąc się z ustawionym wskaźnikiem napięcia. Sterownik bramki musi mieć stałe parametry, co uzyskuje się poprzez dodanie do obwodu urządzenia diody Schottky'ego. Zapewnia to zmniejszenie indukcyjności w zasilaczu i bramce.

Wskaźniki napięcia są ograniczone ze względu na obecność diody Zenera w obwodzie emitera i bramki. Doskonałą wydajność takich tranzystorów IGBT uzyskuje się poprzez zainstalowanie dodatkowych diod na zaciskach modułu. Użyte komponenty muszą charakteryzować się niezależnością od wysokich temperatur i niewielkim rozrzutem.

Obwód może zawierać emiter ujemnego sprzężenia zwrotnego. Jest to możliwe, gdy do zacisków modułu podłączony jest sterownik bramki.

Prawidłowy dobór rodzaju tranzystora zapewni stabilność działania zasilaczy i innych urządzeń elektrycznych. Tylko w tym przypadku można zagwarantować całkowicie bezpieczną pracę instalacji elektrycznych w przypadku zwarć i awaryjnych trybów pracy urządzeń.

Zakres stosowania

Obecnie tranzystory IGBT są używane w sieciach ze wskaźnikiem napięcia do 6,5 kW, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpiecznej i niezawodnej pracy urządzeń elektrycznych. Możliwe jest zastosowanie falownika, napędów o zmiennej częstotliwości, spawarek oraz regulatorów prądu impulsowego.

Odmiany IGBT o dużej wytrzymałości są stosowane w potężnych napędach sterujących trolejbusów i lokomotyw elektrycznych. Ich zastosowanie pozwala na zwiększenie wydajności, zapewniając maksymalną możliwą płynność pracy urządzeń, błyskawicznie kontrolując moc silników elektrycznych do ich pełnej mocy. Tranzystory mocy są stosowane w obwodach wysokiego napięcia. Stosowane są w obwodach klimatyzatorów domowych, zmywarek, zasilaczy w sprzęcie telekomunikacyjnym oraz w zapłonie samochodowym.

Kontrola serwisowalności

Przegląd i testowanie półprzewodników IGBT przeprowadza się w obecności usterek urządzeń elektrycznych. Taką kontrolę przeprowadza się za pomocą multitestera, dzwoniąc kolektory i elektrody emiterem w dwóch kierunkach. Pozwoli to ustalić sprawność tranzystora i wyeliminować brak zwarcia. Podczas testowania konieczne jest ujemne ładowanie wejścia bramki za pomocą sond multimetrowych typu COM.

Aby sprawdzić poprawność działania tranzystora na wejściu i wyjściu bramki, pojemność jest ładowana biegunem dodatnim. Takie ładowanie odbywa się poprzez krótkie dotknięcie przesłony sondą, po czym sprawdzana jest różnica potencjałów między kolektorem a emiterem. Te potencjały nie powinny mieć rozbieżności większej niż 1,5 wolta. Jeśli testowany jest potężny tranzystor IGBT, a tester nie wystarcza do naładowania dodatniego, do bramki przykładane jest napięcie zasilania do 15 woltów.

Potężne moduły

Tranzystory mocy są produkowane nie tylko z pojedynczych półprzewodników, ale także z już zmontowanych gotowych do użycia modułów. Takie urządzenia są częścią potężnych przetwornic częstotliwości w sterowaniu silnikami elektrycznymi. W każdym przypadku schemat i zasada działania modułu będzie się różnić w zależności od jego rodzaju i przeznaczenia. Najczęściej takie urządzenia wykorzystują mostek wykonany na bazie dwóch tranzystorów mocy.

Stabilna praca tranzystora IGBT jest zapewniona przy częstotliwości 150 kHz. Wraz ze wzrostem częstotliwości roboczej mogą wzrosnąć straty, co negatywnie wpływa na stabilność urządzeń elektrycznych. Tranzystory mocy wykazują wszystkie swoje zalety i możliwości, gdy są używane z napięciami powyżej 400 woltów. Dlatego takie półprzewodniki są najczęściej stosowane w urządzeniach przemysłowych i urządzeniach elektrycznych wysokiego napięcia.