IGBT Бабцов

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.

Эквивалентная схема IGBT транзистора (a) и его
вольт-амперная характеристика (b)
Испытания показали, что время включения и выключения большинства IGBT не превышает 0,5-1,0 мкс.
Чтобы уменьшить количество дополнительных внешних компонентов, IGBT-транзисторы
комплектуются диодами или модулями, состоящими из нескольких компонентов
8

9.

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

10.

МОДУЛИ IGBT
Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для
одного транзистора, можно подключать модули параллельно.
10

11.

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.
11

12.

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.
12

13.

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.
13

14.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Силовые биполярные
транзисторы с изолированным
затвором обладают:
• Высоким входным
сопротивлением.
• Низким остаточным
напряжением в открытом
состоянии.
• Малыми потерями при высоких
токах и напряжениях.
14
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.

15.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!