Біполярні транзистори із ізольованим затвором (БТІЗ або IGBT). Схема, опис

ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Електрику

Силові напівпровідникові пристрої. Біполярні транзистори із ізольованим затвором (БТІЗ або IGBT). Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Довідник електрика

Коментарі до статті

Біполярними транзисторами із ізольованим затвором (БТІЗ) (Англійська абревіатура IGBT-Isolated Gate Bipolar Transistor) називаються напівпровідникові прилади, у яких на вході знаходиться польовий транзистор а на виході - біполярний.

Одне з таких поєднань показано на рис. 7.4. Прилад введений у силовий ланцюг висновками біполярного транзистора Е (емітер) і С (колектор), а ланцюг управління - виведенням G (затвор).

Таким чином, БТІЗ має три зовнішні висновкиКабіна: емітер, колектор, затвор. З'єднання емітера та стоку (D), бази та витоку (S) є внутрішніми. Поєднання двох приладів в одній структурі дозволило об'єднати переваги польових та біполярних транзисторів: високий вхідний опір з високим струмовим навантаженням та малим опором у включеному стані.

Біполярні транзистори із ізольованим затвором (БТІЗ або IGBT)
Мал. 7.4. Один з видів струмовим навантаженням і мінімальним опором у структури БТІЗ включеному стані.

Структура БТІЗ

Схематичний розріз структури БТІЗ показаний на рис. 7.5. Біполярний транзистор (рис. 7.5 а) утворений шарами p + (емітер), n (база), p (колектор); польовий - шарами n (витік), n+ (стік) та металевою пластиною (затвор). Шари p+ та p мають зовнішні висновки, що включаються до силового ланцюга. Затвор має висновок, що входить у ланцюг управління.

На рис. 7.5 б зображена структура IGBT IV покоління, виконаного за технологією "утопленого" каналу (trench-gate technology), що дозволяє виключити опір між p-базами та зменшити розміри приладу в кілька разів.

Біполярні транзистори із ізольованим затвором (БТІЗ або IGBT)
Мал. 7.5. Структури БТІЗ: а – структура стандартного транзистора; б-структура транзистора, створеного за технологією trench gate

Принцип дії та особливості

Процес включення IGBT можна розділити на два етапи:

етап 1 - після подачі позитивної напруги між затвором та витоком відбувається відкриття польового транзистора (формується n-канал між витоком та стоком);
етап 2 - рух зарядів з області n в область p призводить до відкриття біполярного транзистора та виникнення струму від емітера до колектора.

Таким чином, польовий транзистор керує роботою біполярного. Для IGBT з номінальною напругою в діапазоні 600-1200 В повністю включеному стані пряме падіння напруги, так само як і для біполярних транзисторів, знаходиться в діапазоні 1,5-3,5 В.

Це значно менше, ніж характерне падіння напруги на силових MOSFET у провідному стані з такими ж номінальними напругами.

З іншого боку, MOSFET з номінальною напругою 200 В і менше мають нижче значення напруги у включеному стані, ніж IGBT, і залишаються неперевершеними в цьому відношенні в області низьких робочих напруг і комутованих струмів до 50 А.

По швидкодії IGBT поступаються MOSFET, але значно перевищують біполярні. Типові значення часу розсмоктування накопиченого заряду та спадання струму при вимиканні IGBT знаходяться в діапазонах 0,2-0,4 та 0,2-1,5 мкс, відповідно.

Область безпечної роботи IGBT дозволяє успішно забезпечити його надійну роботу без застосування додаткових кіл формування траєкторії перемикання при частотах від 10 до 20 кГц для модулів з номінальними струмами в кілька сотень ампер. Такі якості не мають біполярні транзистори, з'єднані за схемою Дарлінгтона.

Так само як і дискретні, MOSFET витіснили біполярні в ключових джерелах живлення з напругою до 500 В, так і дискретні IGBT роблять те саме в джерелах з вищими напругами (до 3500 В).

Модулі БТІЗ

БТІЗ-модуль за внутрішньою електричною схемою може являти собою:

одиничний БТІЗ;
подвійний модуль (half-bridge), де два БТІЗ з'єднані послідовно (напівміст);
переривач (chopper), у якому одиничний БТІЗ послідовно з'єднаний з діодом;
однофазний чи трифазний міст.

Біполярні транзистори із ізольованим затвором (БТІЗ або IGBT)
Мал. 7.6. Схеми БТІЗ модулів: a - одиничний БТІЗ; б – подвійний модуль; в – колекторний переривник (чоппер); г - емітерний переривник (чопер)

У всіх випадках, крім переривача, модуль містить паралельно кожному IGBT вбудований зворотний діод. Найбільш поширені схеми з'єднань IGBT-модулів наведено на рис. 7.6.

Основні відмінності між окремими елементами та модулями

Основна відмінність між дискретними приладами та сильноточними модулями полягає у способі електричного зв'язку їх з іншими елементами схеми. Дискретні компоненти з'єднуються з елементами схеми на друкованій платі за допомогою паяння.

Максимальне значення струмів у контактних з'єднаннях друкованої плати зазвичай не перевищує 100 А в режимах роботи, що встановилися. Це накладає природні обмеження на кількість компонентів, що паралельно з'єднуються. З іншого боку, сильноточні модулі мають висновки під гвинтові затискачі. Тому вони можуть з'єднуватися з кабельними наконечниками або безпосередньо з струмопровідними шинами. Сильноточні модулі можуть безпосередньо з'єднаються з друкованою платою через наскрізні отвори.

Модулі виконуються у трьох варіантах:

за одноключевою схемою (серія МДТКІ);
за двоключовою схемою (М2ТКІ);
за схемою переривника струму, чопера (серія МТКІД).

Транзистори шунтуються діодами зворотного струму, в якості яких використовуються діоди, що швидко відновлюються, з "м'яким" відновленням (FRD діоди).

Автор: Корякін-Черняк С.Л.

Дивіться інші статті розділу Довідник електрика.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Рідкісні метали з вугілля 30.10.2016

Рідкоземельні елементи становлять основу сучасної технологічної промисловості. В даний час абсолютним лідером з їх видобутку є Китай, але цьому може прийти кінець: вчені з'ясували, що хорошим джерелом рідкісних металів може бути звичайне кам'яне вугілля.

Сучасна цивілізація, якою ми її знаємо, не може існувати без рідкісноземельних елементів. Не буде смартфонів, світлодіодів, вітряних турбін та навіть автомобільних акумуляторів. Рудники, в яких добувають необхідні нам метали та речовини, розкидані по всій земній корі, але їх експлуатація часто буває неефективною. В даний час Китай виробляє близько 90% світових поставок рідкісноземельних елементів для промисловості, але вчені знайшли спосіб порушити цю монополію за допомогою того, чого у нас удосталь: вугілля та його побічних продуктів переробки.

"Все, що знаходиться в земній корі, так чи інакше входить до складу викопного вугілля", - пояснює Еван Граніт, інженер-хімік із Департаменту енергетики США. Кожен виробничий крок – видобуток, очищення та перепалювання вугілля – створює безліч відходів, які в даний час вивозять на звалища. Мета майбутньої роботи полягає в тому, щоб використовувати ці відходи як дешеве та екологічно чисте джерело рідкісноземельних елементів.

Як приклад: щорічно вугільна промисловість США виробляє 130 мільйонів тонн вугільної золи. Нещодавнє дослідження, проведене в Університеті Дьюка, показало, що потенційна вартість металів, які можна витягти з продуктів горіння, може сягати кількох мільярдів доларів. Інше питання – як саме це зробити. Професор енергетики та мінеральної інженерії Шарма Пісапаті у Пенсільванському університеті досліджує те, як виділяти метали за допомогою ополіскування сирого сланцю розчином амонійного сульфату. Якщо спосіб видобутку металів таким чином виявиться економічно вигіднішим, то, можливо, місцеве (а не китайське) виробництво смартфонів у найбільших країнах світу вже не за горами.

Інші цікаві новини:

▪ Океан перетворюється на пластик

▪ Контролери для цифрового керування джерелами живлення

▪ Арктику чекають нові рекорди танення

▪ Нові LED-лампи від LG

▪ Вертоліт для пошуку підводних човнів

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Радіоелектроніка та електротехніка. Добірка статей

▪ стаття Заміський будинок з усіма зручностями. Поради домашньому майстру

▪ стаття Як виникло поняття Дядечка Сем? Детальна відповідь

▪ стаття Персонал відділень радіонуклідної діагностики. Типова інструкція з охорони праці