IGBT Бабцов (1)

1.

ТРАНЗИСТОРЫ
IGBT
Выполнил: Бабцов
Владислав

2.

ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
Полупроводниковый ключ – один
из самых важных элементов
силовой электроники. На их базе
строятся практически все
бестрансформаторные
преобразователи тока и
напряжения, инверторы,
частотные преобразователи.
Применение электронных ключей позволяет упростить
схему преобразователей, значительно уменьшить габариты
устройств, улучшить технические характеристики.
2

3.

О С Н О ВН ЫЕ Х А РА КТЕРИ С ТИК И
П ОЛ УПРО ВОДН ИКОВЫХ КО М М УТАТОРОВ :
• Ток или напряжение управления.
• Номинальное напряжение и ток силового канала.
• Сопротивление канала.
• Допустимая частота переключений.
• Статические и динамические потери.
3

4.

О С Н О ВН ЫЕ Х А РА КТЕРИ С ТИК И
П ОЛ УПРО ВОДН ИКОВЫХ КО М М УТАТОРОВ :
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).
Применение биполярных транзисторов существенно
ограничивает невысокий коэффициент передачи тока,
значительный температурный разброс этого параметра,
управление знакопеременным напряжением, невысокая
плотность тока силовой цепи.
4

5.

КО Н С ТРУКЦИ Я И П РИ Н Ц И П РА Б ОТЫ С И Л О В ЫХ ТРА Н З И С ТО РО В
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. Объединение
полупроводниковых элементов
реализовано структурой элементных
ячеек в одном кристалле.
Упрощенная эквивалентная схема биполярных
транзисторов с изолированным затвором
представлена на рисунке:
5

6.

IGBT – приборы появились после того, как были выявлены недостатки MOSFET транзисторов
в высоковольтных схемах: квадратичная зависимость сопротивления канала от напряжения.
Полупроводниковые приборы IGBT сочетают достоинства силовых биполярных и полевых
транзисторов с изолированным затвором:
• Небольшая мощность управления.
• Высокая скорость переключения.
• Маленькие потери при открытом транзисторе.
• Высокое номинальное напряжение силового канала.
Сопротивление канала IGBT-элементов растет пропорционально току, зависимость потерь от величины
тока не квадратичная, как у транзисторов MOSFET. Быстродействие силовых элементов с изолированным
затвором превосходит скорость коммутации биполярных транзиторов, но уступает элементам MOSFET.
6

7.

ПОТЕРИ В ТРАНЗИСТОРАХ
Различают 3 типа потерь мощности на транзисторах:
статические, динамические, в цепи управления.
Первые обусловлены токами утечки в запертом состоянии,
сопротивлением полупроводникового кристалла.
Статические потери рассчитывают по формуле:
P=U(0) * Icp+rd * Irms * Irmc
где U(0) – падение напряжения, Iср и Irms – средний и
среднеквадратичный ток
7

8.

МОДУЛИ IGBT
Для снижения количества внешних элементов выпускают
модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные
транзисторы, диоды и другие компоненты.
Такая конструкция облегчает ремонт
преобразователей, позволяет наращивать
мощность устройств путем установки
дополнительных модулей.

9.

МОДУЛИ IGBT
Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для
одного транзистора, можно подключать модули параллельно.

10.

В ЫБ О Р М ОДУЛ ЕЙ I GBT
Транзисторные модули выбирают по нескольким основным характеристикам:
*
Максимальный ток коллектора Iс. Производители обычно приводят 2 значения. Одно при
стандартной температуре в помещениях +25°С, второе при +80°С. В руководствах приведен
график зависимости тока коллектора от температуры. Для определения промежуточных
значений можно воспользоваться им.
*
Напряжение «коллектор-эмиттер». Характеристика определяет класс
полупроводникового элемента. При выборе необходимо воспользоваться
таблицей класса напряжений IGBT-транзисторов для промышленных сетей.
10

11.

В ЫБ О Р М ОДУЛ ЕЙ I GBT
Транзисторные модули выбирают по нескольким основным характеристикам:
*
Рабочее максимальное напряжение «коллектор-эмиттер». Для стабильной
работы модуля пиковые величины не должны быть больше 80 % номинального
значения. Нормальное рабочее напряжение не должно превышать 60% от
номинала
*
Заряд затвора и напряжение насыщения. Характеристики
нужны для расчета драйвера и определения потерь при
открытом транзисторе.
11

12.

М О Н ТАЖ М ОДУЛ ЕЙ I GBT
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.
Перед монтажом нужно убедиться, что на поверхностях нет твердых частиц, а также
обезжирить подложку и радиатор любым неагрессивным к материалам компонентов
растворителем.
Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений.
Характеристики материала должны сохраняться при любой температуре эксплуатации на
протяжении всего срока службы. Рекомендованный запас по температуре – 10%. Перед
нанесением пасты контактные поверхности охладителя и подложки обезжиривают безворсовой
тканью, смоченной в растворителе. Толщину слоя пасты регулируют специальным гребешком. При
нанесении теплопроводящего материала избегают его попадания на радиатор и в гнезда для
резьбовых соединений.
12

13.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Силовые биполярные
транзисторы с изолированным
затвором обладают:
• Высоким входным
сопротивлением.
• Низким остаточным
напряжением в открытом
состоянии.
• Малыми потерями при высоких
токах и напряжениях.
13
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.
В области частот 10-20 кГц
ключи на транзисторах GBT
значительно превосходят
устройства на
полупроводниковых приборах
других типов.

14.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!