Aniks-lift.ru

Подъемное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

IGBT транзистор

IGBT транзистор

IGBT транзистор

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.

БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.

IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.

Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки «Ресанта» и других аналогичных аппаратах.

Современные IGBT транзисторы FGH40N60SFD

Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.

Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.

История появления БТИЗ.

Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.

Читайте так же:
Как соединить два кабеля между собой

Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.

Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.

Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

Условное обозначение IGBT


Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.

Изображение БТИЗ

Особенности и сферы применения БТИЗ.

Отличительные качества IGBT:

Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);

Имеют низкие потери в открытом состоянии;

Могут работать при температуре более 100°C;

Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.

Читайте так же:
Как точить гелевый карандаш для глаз

Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.

Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.

IGBT-модули.

IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого «частотника») для управления трёхфазным двигателем.

IGBT модуль BSM 50GB 120DN2

IGBT модуль

Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).

Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.

Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

polev

Все транзисторы делятся на два класса — биполярные и униполярные.
В биполярных транзисторах одновременно в работе участвуют как положительные так и отрицательные носители. У униполярных (полевых) транзисторов основной ток обусловлен или электронами, или положительными «дырками» в зависимости от типа проводимости полупроводникового стержня из которой сделан транзистор.

Читайте так же:
Как правильно варить электродом электросваркой

Конструктивно полевой транзистор с управляющим p-n переходом состоит из полупроводниковой пластины n или р типа с контактами по краям на которые подключается напряжение. Электрод, через который втекают в канал полупроводника носители заряда, называется истоком (И) , а откуда вытекают — стоком (С) . В центральной части стержня полевого транзистора находится небольшая область полупроводника (p или n) по типу противоположная проводимости пластины. В месте соединения полупроводников образуется p-n переход к которому подключен электрод управления транзистора — затвор (З) .

Сам p-n переход представляет собой тонкий изолирующий обедненный слой вокруг р-перехода ( на рис. зона (1) ).
При подаче напряжения на электроды стока и истока появляется злектрический ток, созданный электронами, который проходит через проводящий канал имеющий длину равную расстоянию между электродами и ширину размером равную перпендикулярному сечению полупроводника по отношению к направлению тока.
Когда в полевом транзисторе протекает ток, то количество электронов в канале увеличивается и, соответственно, запорный р-n переход ( на рис. зона (2) ) становится шире и канал сужается .
Потенциал электрического поля возрастает от истока к стоку, поэтому ширина p-n перехода будет меньше около истока и шире у стока, т.е. у стока канал будет поуже и его сопротивление будет больше, а ток меньше.
Регулировать ширину канала можно подавая на затвор разную полярность и величину управляемого напряжения.

Если увеличивать обратное напряжение Uзи (минус) , то толщина p-n перехода будет увеличиваться, а толщина канала и ток уменьшаться. При определенном напряжении на затворе полевого транзистора сечение канала станет равным нулю и тока через него не будет (штриховая линия). В этом случае это называется режимом отсечки.

tr3

Когда подается прямое напряжение Uзи (плюс) , тогда ширина p-n перехода уменьшается и Iст в транзисторе увеличивается.

Читайте так же:
Как заварить чугунную трубу

Если величина обратного напряжения изменяется как входной сигнал Uвх , то это приведет к изменению ширины канала и его сопротивления, т.е. изменению тока стока и появлению сигнала на Rн. Величину усиления входного сигнала полевым транзистором осуществляют подбором нагрузочного сопротивления.

Последовательное включение транзисторов

Во время работы силового транзистора на его переходе коллектор – эмиттер падает напряжение, представляющее собой разность входного и выходного напряжений. В отдельных случаях эта разность может превышать максимально допустимое напряжений коллектор – эмиттер транзистора, имеющегося в распоряжении. В этом случае необходимо использовать последовательное соединение нескольких транзисторов.

Схема последовательного соединения транзисторов

Схема последовательного включения транзисторов

Эквивалентный транзистор будет иметь следующие параметры:

Для симметрирования напряжений, которые будут падать на переходе коллектор – эмиттер транзисторов вводят симметрирующие резисторы R1 и R2 сопротивление, которых можно определить по формуле

где IB – ток базы составного регулирующего транзистора.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector