Как управлять igbt транзистором
Перейти к содержимому

Как управлять igbt транзистором

  • автор:

Как управлять igbt транзистором

Формула

IGBT-транзистор – гибридный прибор

IGBT-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated-Gate Bipolar Transistor) – мощные коммутационные полупроводниковые приборы представляющие собой интегральную структуру, состоящую из входного полевого транзистора и силового биполярного транзистора. Используются в 99,999% как ключевые приборы. По электрическим свойствам представляют собой «грейпфрут» полевого транзистора с изолированным затвором и биполярного транзистора. Управление IGBT-транзистором осуществляется напряжением как полевого транзистора, во включенном состоянии имеют некоторое напряжение насыщения цепи коллектор-эмиттер; сравнительно медленное выключение («токовый хвост», как рудимент, доставшийся в наследство от биполярных транзисторов). Подробнее про внутреннюю структуру IGBT-транзисторов изложено в [Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В.П. и др. СОЛОН-Пресс. 2002. 512 с.]. Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР.

Практически все выпускаемые IGBT-транзисторы n-канальные. Теоретически существующие p-канальные IGBT-транзисторы по причине невостребованности на рынке отсутствуют.

Ключевыми преимуществами IGBT -транзисторов являются:

— высокие коммутируемые мощности;

— большие значения рабочего напряжения;

— устойчивость к токовым перегрузкам;

— малые мощности управления.

Области использования IGBT-транзисторов:

— в силовых импульсных преобразователях и инверторах (мощностью более 1 кВт);

— в системах индукционного нагрева;

— в системах управления двигателями (частотно-регулируемые привода).

Таким образом, IGBT-транзисторы используются только в качестве ключевых элементов.

Во многих случаях IGBT-транзисторы содержат в своем составе интегрированный быстродействующий обратный диод.

Условное обозначение и внутренняя структура IGBT-транзистора

Условное обозначение и эквивалентная упрощенная внутренняя структура IGBT-транзистора и реальная эквивалентная схема представлены на рисунке ниже.

В некоторых типах IGBT-транзисторов интегрирован отдельный реверсный быстродействющий диод.

Основные параметры IGBT -транзистора

Ниже перечислены основные параметры IGBT-транзистора, которые приводятся в справочных листках.

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-to-Emitter Voltage или Collector-to-Emitter Breakdown Voltage) VCES – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора.

2. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер VCE(on) – падение напряжение между коллектором и эмиттеров в открытом состоянии. При заданном токе коллектора и температуре.

3. Максимальное напряжение затвор-исток (Gate-to-Emitter Voltage) VGE ­– максимальное управляющее напряжение затвор-эмиттер. При превышении этого напряжения возможен пробой затворного диэлектрика и выход транзистора из строя.

4. Максимальный ток коллектора в непрерывном режиме (Continuous Collector Current) IC – максимальная величина постоянно протекающего тока коллектора. В реальности для IGBT-транзисторов ток существенно зависит от температуры корпуса транзистор и рабочий ток приводится для двух значений температуры 25° С и 100° С.

5. Максимальный импульсный ток через коллектор (Pulsed Collector Current) IСM — максимальная величина импульсного тока через коллектор. Зависит от коэффициента заполнения, условий теплоотвода. Принципиально ограничивается энергией рассеивания кристалла.

6. Пороговое напряжение затвора (Gate Threshold Voltage) VGE(th) – напряжение затвора, при котором транзистор начинает переходить в проводящее состоянии.

7. Температурный коэффициент снижения максимального напряжение коллектор-эмиттер (Temperature Coeff. of Breakdown Voltage) ∆V(BR)CES/∆TJ – коэффициент показывающий снижение максимального напряжение коллектор-эмиттер с увеличением температуры.

8. Температурный коэффициент уменьшения порогового напряжения затвора (TemperatureCoeff. of Threshold Voltage) ∆VGE(th)/∆TJ — коэффициент показывающий снижение порогового напряжения затвора с увеличением температуры.

9.Ток коллектора при нулевом напряжении затвор-эмиттер (Zero Gate Voltage Collector Current) ICES – ток утечки через коллекторный переход при выключенном состоянии транзистора.

10. Прямое падение напряжения на обратном диоде (Diode Forward Voltage Drop) VFM — прямое падение напряжения на интегрированном в конструкцию транзистора быстродейтсвующем обратном диоде.

11. Энергия рассеивания кристалла (Single Pulse Avalanche Energy) EAS – максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения.

12. Максимальная рассеиваемая мощность (Maximum Power Dissipation) PD – максимальная тепловая мощность, которая может быть отведена от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

13. Диапазон рабочих температур — диапазон температур, в пределах которого допускается эксплуатация транзистора.

14. Тепловое сопротивление транзистор-воздух RθJA (Junction-to-Ambient) — максимальное тепловое сопротивление транзистор-воздух (при условии свободного конвективного теплообмена).

15. Тепловое сопротивление кристалл транзистора – корпус транзистора (Junction-to-Case — IGBT) RθJC — максимальное тепловое сопротивление перехода кристалл транзистора – корпус транзистора.

16. Тепловое сопротивление кристалл диода – корпус транзистора (Junction-to-Case — Diode) RθJC— максимальное тепловое сопротивление перехода кристалл интегрированного диода – корпус транзистора.

17. Ток утечки затвора (Gate-to-Emitter Leakage Current) IGES – ток затвора при некотором (как правило, максимальном) напряжении затвор-исток.

18. Общий заряд затвора (Total Gate Charge) Qg – суммарный заряд затвора необходимый для перевода транзистора в проводящее состояние.

19. Заряд затвор-исток (Gate — Emitter Charge) Qge – заряд емкости затвор-эмиттер.

20. Заряд затвор-коллектор (Gate — Collector Charge) Qgc — заряд емкости затвор-коллектор.

21. Время задержки включения (Turn-On Delay Time) td(on) – время за которое транзистор накапливает заряд затвора, при котором транзистор начинает открываться.

22. Время роста тока через транзистор (Rise Time) – время, за которое происходит нарастание тока коллектора транзистора от 10% до 90%.

23. Время задержки выключения (Turn-Off Delay Time) td(off) – время за которое заряд затвора становится меньшим заряда включения, и транзистор начинает закрываться.

24. Время спада тока через транзистор (Fall Time) — время, за которое происходит спад тока коллектора транзистора от 10% до 90%.

25. Потери энергии на включение транзистора (Turn-On Switching Loss) Eon — энергия, выделяемая в кристалле при переходном процессе включения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

26. Потери энергии на выключение транзистора (Turn-Off Switching Loss) Eoff – энергия, выделяемая в кристалле при переходном процессе выключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

27. Суммарные потери энергии на включение-выключение транзистора (Total Switching Loss) Ets— суммарные потери энергии на рабочий цикл включения-выключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

28. Максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток (dv/dt ruggedness) — максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток при которой еще не происходит перехода транзистора в проводящее состояние.

29. Индуктивность вывода стока (Internal Emitter Inductance) LE – паразитная индуктивность вывода эмиттера транзистора.

30. Максимальная скорость обрыва тока при переходе в непроводящее состояние (Diode PeakRate of Fall of Recovery) (di(rec)M/dt) — максимальная скорость обрыва тока через интегрированный диод при переходе в непроводящее состояние под действием смены полярности.

31. Постоянный прямой ток через обратный диод (Continuous Source-Drain Diode Current) IS – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

32. Импульсный ток через обратный диод (Pulsed Diode Forward Current) ISM – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

33. Падение напряжения на диоде (Body Diode Voltage) VSD – прямое падение напряжения на диоде. При заданных температуре и токе истока.

34. Время восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Time) trr — время восстановления обратной проводимости паразитного диода.

35. Заряд восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Charge, Reverse recovery charge) Qrr – заряд, необходимый для восстановления обратной проводимости паразитного диода.

36. Время включения паразитного диода (Forward Turn-On Time) ton — время перехода диода в проводящее состояние. Обычно составляет пренебрежимо малую величину.

37. Входная емкость (Input Capacitance) Cies – сумма емкостей «затвор-коллектор» и «затвор-эмиттер» (при некотором напряжении коллектор-эмиттер).

38. Выходная емкость (Output Capacitance) Coes – сумма емкостей «затвор-коллектор» и «коллектор-эмиттер» (при некотором напряжении коллектор-эмиттер).

39. Проходная емкость (Reverse Transfer Capacitance) Cres – емкость «затвор-коллектор».

Паразитные емкости IGBT-транзистора

Паразитные емкости IGBT-транзистора (рисунок IGBT.2) являются причиной снижения его быстродействия.

Классификация IGBT-транзисторов по быстродействию

По скорости переключения IGBT-транзисторы классифицируются на четыре группы как представлено в таблице IGBT.1 :

Таблица IGBT.1 Классификация IGBT-транзисторов по скорости переключения [Мощные и эффективные IGBT седьмого поколения от IR. Донцов Александр. Силовая электроника №5, 2013].

Тип

F, кГц

Ets, мДж

S-Standart (стандарт)

Управление затвором MOSFET и IGBT, затворный резистор, шунтирующий конденсатор, защита затвора

Проектируя силовую часть импульсного преобразователя или подобного устройства, где в качестве силового ключа будет выступать мощный IGBT или MOSFET транзистор, важно правильно рассчитать цепь управления затвором, особенно если речь идет об управлении полупроводниковым ключом на высокой скорости, характерной для рабочих частот от сотен килогерц до 1 МГц.

Давайте рассмотрим методику такого расчета, а для примера возьмем не утрачивающий популярности на протяжении без малого 20 лет полевой транзистор IRFP460, обладающий, как известно, довольно «тяжелым» затвором.

Допустим, нам он нужен в качестве ключа нижнего уровня (с управлением от уровня земли), который будет управляться при помощи специализированного драйвера UCC37322, так же довольно известного и по сей день востребованного по своему прямому назначению. А напряжение управления затвором примем равным 12 вольт.

Полевые транзисторы IRFP460

Пример расчета для рабочей частоты 1 МГц

Пусть рабочая частота проектируемого устройства составляет ровно 1 МГц, а управляющие импульсы имеют скважность 2 (коэффициент заполнения DC = 0.5). Теоретически это значит, что и рабочая длительность импульса, то есть продолжительность состояния когда ключ полностью открыт, должна на каждом цикле его работы составлять 500 нс.

Но на практике это время будет меньше, поскольку передний и задний фронты будут иметь не нулевую, а конечную длительность, обычно не более 100 нс. Это значит, что ключ будет полностью открыт в самом худшем случае на протяжении 300 нс, и здесь стоит задуматься над тем, а не уменьшить ли скважность… до 1,43, то есть может быть имеет смысл задать управляющим импульсам DC = 0,7. Однако это гипотетически худший вариант, так что на него пока опираться не станем.

Характеристики IRFP460

На деле длительность фронтов непосредственно на затворе будет определяться возможностями драйвера и реальной емкостью затвора силового транзистора. Из документации на классический транзистор IRFP460 нам известна зависимость полного заряда, подаваемого на его затвор, от напряжения на затворе относительно истока.

Мы видим, что при 12 вольтах на затворе полный его электрический заряд находится в районе 160 нКл. Но здесь же понятно, что заряд этот накапливается емкостью затвора нелинейно, так как в районе 4-5 вольт находится так называемое плато Миллера, где на емкость затвора начинает действовать еще и емкость сток-затвор. Поэтому в самом начале общая емкость затвора минимальна и заряд накапливается затвором с наибольшей скоростью, затем заряжается динамическая емкость Миллера, и после этого заряд затвора нарастает опять линейно, но медленнее чем в самом начале.

Затворный резистор и реальный фронт при открытии

Итого, ток в процессе заряда затвора нарастает далеко не по экспоненте, значит имеет смысл просто ограничить этот ток сверху предельным значением для драйвера UCC37322 при помощи затворного резистора. Поскольку для данного драйвера максимальный пиковый ток по документации составляет 9 ампер, то при 12 вольтах питающего напряжения минимальное значение затворного резистора по Закону Ома получается 1,333 Ом. Принимаем стандартное 1,5 Ом.

Затворный резистор и реальный фронт при открытии

Из документации на полевик IRFP460 известно, что при 7,5 вольтах между затвором и истоком, данный транзистор уже точно полностью открыт. Посчитаем усредненную емкость затвора, разделив заряд затвора при 7,5 вольтах на нем, на эти самые 7,5 вольт. Получим 110 нКл/7,5 = 14,5 нФ.

Эту емкость можно принять для оценки временных характеристик в переходном процессе заряда затвора от 12 вольтного драйвера через принятый нами затворный резистор номиналом 1,5 Ом. 7,5 вольт — это практически 63% от 12. Получается произведение R*C – есть как раз время фронта в процессе открытия нашего полевика — 22 нс. Неплохо. Резистор на 1,5 Ом в качестве затворного подходит.

Теперь выясним мощность необходимого затворного резистора. На данном резисторе при открытии и при закрытии транзистора будет рассеиваться энергия, равная энергии, накапливаемой в конденсаторе, образованным емкостью затвор — исток. То есть 14,5 нФ при 12 вольтах. Это CU 2 /2 = 1,044 мкДж при заряде затвора и столько же при его разряде, и так 1000000 раз в секунду (т. к. рабочая частота у нас по условию 1 МГц). Итого 2 Вт.

Выбираем резистор 1,5 Ом на 2 Вт в качестве затворного. Можно взять 2 штуки по 3 Ома в параллель, чтобы не сильно грелись. Кстати, из данного расчета получается, что и мощность, расходуемая на управление полевиком составит 2 Вт.

Шунтирующий конденсатор драйвера

Теперь нужно определиться с шунтирующим конденсатором. Данный конденсатор необходим для быстрой отдачи заряда через драйвер — на затвор полевика. Если в качестве такового использовать электролитический конденсатор большой емкости, то он создаст для импульсов тока столь высокой частоты малое сопротивление, через него будет течь слишком большой импульсный ток, что недопустимо для электролита. Поэтому параллельно электролиту всегда ставят пленочный конденсатор небольшой емкости. Он сможет легко и быстро отдавать заряд, перезаряжаться, при этом не будет перегреваться.

Шунтирующий конденсатор драйвера

Известно, что I = C*(U1-U2)/t. Значит C = It/(U1-U2). U1-U2 = 0,12 В, t = 66 нс, I = 4,5 А. Отсюда находим что Сmin = 2,5 мкф. Примем емкость пленочного шунтирующего конденсатора равной 3 мкф. Параллельно ему уже можно поставить танталовый или обычный электролитический на значительно большую емкость, чтобы драйверу было комфортнее работать.

Защита затвора полевика и выходного каскада драйвера диодами Шоттки

Защита затвора полевика и выходного каскада драйвера диодами Шоттки

При высоких рабочих частотах неизбежны емкостные наводки на затвор. Поэтому затвор, а также выход драйвера стоит защитить диодами Шоттки на предельное напряжение большее удвоенного напряжения питания драйвера.

Например 1N5822 – на максимальное обратное напряжение 40 вольт и ток 3А. Если напряжение на затворе в кокой-то момент превысит напряжение питания, заряд просто перетечет в шунтирующий конденсатор. В данных условиях напряжение на затворе не превысит выбранных для нашей схемы 12 вольт.

  • Три простые схемы датчиков освещенности
  • Как проверить микросхему на работоспособность
  • Виды современных интегральных микросхем — типы логики, корпуса

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день

Поделитесь этой статьей с друзьями:

IGBT схемы

Соединив в себе все лучшие качества биполярного и полевого (MOSFET) транзисторов, возник своего рода гибрид – переключатель IGBT . Теперь достоинства двух популярных в прошлом веке полупроводников нашли отображение в одном устройстве. Его полное название — Insulated Gate Bipolar Transistor. Если перевести это словосочетание с английского, то получится «Биполярный транзистор с изолированным затвором». В русскоязычной версии IGBT упоминается как БТИЗ.

Назначение гибридного полупроводникового прибора разнообразно. Например, IGBT схемы есть в бытовых приборах – это сплит-системы для дома/офиса, посудомоечные машины, блоки питания телекоммуникационной техники. Но эти транзисторы есть также и в схемах управления электромоторами, где рабочая частота меньше 20 000 Гц. Они встречаются в ИБП, а также в сварочном оборудовании (там, где нужны большие токи плюс низкие частоты – менее 50 000 Гц).

Но это далеко не полный список способов применения устройств с технологией IGBT. Ведь этот удивительный полупроводник нужен для следующих сфер человеческой деятельности:

  • автомобиле- и самолетостроение;
  • аэрокосмическая отрасль;
  • водный и Ж/Д транспорт;
  • транспортная сфера (электромобили, электровозы и городской электротранспорт – троллейбусы, трамваи).

Но больше всего IGBT-транзисторы пригодились для частотной техники, инверторов, очень много их в высоковольтном и мощном электрооборудовании. Применение БТИЗ в промышленной отрасли развито очень сильно. У приборов есть все нужные характеристики, чтобы безотказно работать на промышленных мощностях разных видов.

Почему устройства IGBT пользуются большой популярностью

БТИЗ имеют упрощенную схему, ими легко управлять. Область безопасной работы у них на порядок выше, по сравнению с биполярными устройствами. Удобным является и модульное исполнение приборов. По отдельности БТИЗ встречаются нечасто. Более распространены они как модули, в каждом из которых находится 2 и более транзистора IGBT. Такое исполнение компактно, эргономично и высокоэффективно. Именно поэтому модули IGBT предельно популярны и получают повсеместное распространение в мире.

Где можно купить прибор IGBT

Купить модули IGBT лучше всего у поставщика Олниса. Фирма более десяти лет занята в области промышленной электронной техники. На сайте компании собраны электронные товары от пяти тысяч с лишним производителей. Поставки производятся со всех точек земного шара – из Америки, Азии и стран Евросоюза. Для каждого клиента Олниса имеет ряд выгодных преференций. Это:

  • оперативная доставка заказа по РФ и СНГ;
  • удобная доставка к порогу;
  • скидки при постоянном сотрудничестве;
  • гарантия на все виды техники, электронных компонентов, аксессуаров и других товаров на сайте фирмы.

Олниса – мультибрендовая компания. Здесь Вы можете купить продукцию от разных производителей на одном сайте. Вам не придется тратить много времени, чтобы найти все нужное оборудование от разных изготовителей.

Управление большими токами в силовой электронике с помощью IGBT транзисторов

igbt-tranzistor

В тяговых инверторах IGBT используются для преобразования постоянного напряжения аккумуляторной батареи в переменное напряжение для питания электродвигателя. Таким образом, можно регулировать частоту и амплитуду напряжения на обмотках двигателя и, соответственно, скорость транспортного средства. В DC/DC и DC/AC преобразователях транспортного назначения IGBT транзистор нужен для преобразования напряжения для питания бортовых потребителей, а в бортовых зарядных устройствах для зарядки аккумуляторов от электросети.
Применение IGBT в DC/DC и DC/AC преобразователях обеспечивает меньшие по сравнению с транзисторами других типов потери мощности.

Для управления IGBT транзисторами применяются специальные платы управления — драйверы, которые обеспечивают необходимый заряд и разряд емкостей затвора и стока, защиту от перегрузок и коротких замыканий, согласование логических уровней и изоляцию.

Преимущества IGBT транзисторов в силовой электронике:

  • Снижение массы и габаритов преобразователей на 30-40% по сравнению с тиристорными аналогами.
  • Снижение потерь в преобразователях на 20-30% по сравнению с биполярными транзисторами.
  • Увеличение эффективности преобразователей до 95-97% за счет высокой скорости переключения и низкого сопротивления канала IGBT транзисторов.
  • Увеличение частоты переключения до 10-20 кГц за счет небольшой мощности управления и малого заряда затвора IGBT транзисторов.
  • Улучшение качества напряжения и тока на обмотках двигателя за счет возможности использования различных алгоритмов ШИМ и снижения гармонических искажений.

Эффект от применения силовой электроники на IBGT транзисторах в электротранспорте:

  • Энергоэффективность: Высокая эффективность преобразования энергии за счет малых потерь в IGBT транзисторах.
  • Надежность и долговечность: IBGT транзисторы устойчивы к перегрузкам по току и напряжению, высоким температурам и вибрациям.
  • Гибкость управления: З а счет возможности регулировать частоту и амплитуду напряжения на обмотках двигателя с помощью различных алгоритмов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
  • Масса и габариты:Компактность и легкость за счет малых габаритов и массы IGBT транзисторов, а также возможности интеграции драйверов и защитных схем в один модуль.

Инвертор тяговый RUBRUKS NTPI-600-50

Применение технологии:

Тяговые инверторы RUBRUKS NTPI

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *