Мощные igbt транзисторы: Мощные и эффективные IGBT седьмого поколения от IR

Содержание

Мощные и эффективные IGBT седьмого поколения от IR

IGBT-транзисторы применяются в высоковольтных приборах, таких как сварочные аппараты, корректоры коэффициента мощности, инверторы, драйверы электромоторов. Компания International Rectifier (IR), один из ведущих разработчиков и производителей силовых полупроводниковых компонентов, предлагает новое (седьмое — G7/Gen7) поколение IGBT-транзисторов [1].

Основной особенностью IGBT-транзисторов является линейная зависимость потерь проводимости от тока, в отличие от MOSFET, имеющих квадратичную форму зависимости. Поэтому IGBT предпочтительнее применять в мощных высоковольтных приборах, что демонстрируют графики, приведенные на рис. 1. Уменьшению потерь проводимости в IGBT способствует также снижение значений параметра Vce(on), являющегося эквивалентом сопротивления канала MOSFET, с увеличением тока, протекающего через транзистор [2].

Рис. 1. Зависимость потерь проводимости от тока для MOSFET и IGBT

Здесь следует заметить, что IGBT-транзисторы являются низкочастотными приборами и проигрывают MOSFET по быстродействию.

В отличие от MOSFET, способных работать на частоте в несколько мегагерц, рабочая частота IGBT не превышает 150 кГц (некоторые модели способны работать на частоте до 200 кГц.) На рис. 2 видно, что на частоте менее 10 кГц IGBT обеспечивает более высокий рабочий ток, чем MOSFET, при том же размере кристалла. Обычно IGBT имеют более высокую производительность при напряжении выше 300 В.

Рис. 2. График зависимости рабочего тока от частоты для IGBT и MOSFET

В настоящее время IR выпускает IGBT-транзисторы на базе различных технологий, представленных на рис. 3. Использование передовых технологий производства позволяет добиться высокого качества и требуемого соотношения основных параметров транзисторов, что определяет их области применения. С каждым новым поколением улучшаются характеристики компонентов, уменьшается время переключения транзистора и потери на проводимость. Переход от компонентов поколения G4, изготавливаемых по планарной PT-технологии (punch-through), к компонентам G5, изготавливаемым по NPT-технологии (non-punch-through), сопровождается 55%-ным уменьшением потерь на переключение (параметр E

ts) и увеличением потерь проводимости до 1,5 раза.
Таким образом, транзисторы G5 больше подходят для применения в схемах с более высокой рабочей частотой, чем G4, но менее пригодны в приложениях, где потери проводимости являются решающим фактором.

Рис. 3. Поколения технологий IGBT-транзисторов IR

Все последующие поколения IGBT-транзисторов не являются планарными и выполняются по Trench-технологии, при которой затвор транзистора формируется в специальной протравленной канавке. Новые технологии FS (Field Stop) Trench (поколение 6, G6) и Epi-Trench (поколение 7, G7) позволили создать IGBT, которые совмещают в себе достоинства предыдущих моделей и обладают низким значением E

ts без увеличения потерь проводимости. Кроме того, падение рабочего тока транзистора с увеличением рабочей частоты у транзисторов G7 выражено не так сильно, как у приборов предыдущих поколений или у IGBT-транзисторов других производителей.

 

Новое поколение — Gen7

Компания IR постоянно совершенствует IGBT, не только улучшая характеристики кристаллов, но и внедряя передовые технологии корпусирования транзисторов. Новые IGBT изготовлены на основе ультратонких пластин по технологии FS Trench. Совмещенные в одном корпусе с антипараллельным диодом, который имеет мягкий режим восстановления и низкое значение заряда обратного восстановления (Q

rr), и обладающие широкой (>10 мкс) зоной безопасной работы в режиме короткого замыкания, эти транзисторы подходят для работы в жестких промышленных условиях. Новое семейство IGBT перекрывает рабочий диапазон токов от 10 до 130 А.

Дополнительные достоинства транзисторов этого семейства — высокая максимальная рабочая температура p-n-перехода (+150 °C) и положительная температурная зависимость параметра Vce(on), что облегчает их применение при параллельном включении. Все это позволяет снизить рассеиваемую мощность и достигнуть высокой плотности выходной мощности.

Транзисторы выпускаются в стандартных корпусах TO-247, корпусах TO-247 с удлиненными выводами (TO-247AD long lead), а также в мощном корпусе Super-247 (TO-274).

Основными областями применения IGBT-транзисторов седьмого поколения являются

корректоры коэффициента мощности, инверторы, драйверы моторов и сварочные аппараты. В таблице 1 показаны представители седьмого поколения IGBT IR. В настоящее время IGBT Gen7 рассчитаны только на напряжение 1200 В. Все транзисторы этой категории являются ультрабыстрыми.

Таблица 1. Линейка IGBT-транзисторов Gen7 от IR
Наименование Конфигурация Ic, А (100 °С) Vce-on, В (тип.) Частота, кГц Tsc, мкс Ets, мДж (тип.) Vf, В (тип.) Корпус
IRG7Ph40K10 Дискретный транзистор 23 2,05 8–30 10 0,91 ТО-247
IRG7Ph45U 35 1,9 0 1,68
IRG7Ph52U 60 1,7 3,29
IRG7Ph56U 75 1,7 4,45
IRG7PH50U 90 1,7 5,8
IRG7PSH73K10 130 2 10 12,3 ТО-274
IRG7Ph38UD1 Транзистор со встроенным диодом 18 1,9 0 0,9 1,15 ТО-247
IRG7Ph40K10D 16 2,05 10 0,91 2
IRG7Ph45UD 25 1,9 0 1,68 2,8
IRG7Ph45UD1 25 1,9 1,15
IRG7Ph47K10D 25 1,9 10 1,6 2,4
IRG7Ph52UD 40 1,7 0 3,29 2
IRG7Ph52UD1 45 1,7 1,15
IRG7Ph52UD2 30 1,69 1,08
IRG7Ph54K10D 40 1,9 10 3,4 2,4
IRG7Ph56UD 57 1,7 0 4,45 3,1
IRG7PH50K10D 50 1,9 10 4,2 2,4
IRG7PSH50UD 70 1,7 0 5,8 3 ТО-274
IRG7PSH54K10D 75 1,9 10 11,5 2,1

Компоненты с маркировкой К10 подходят для управления электроприводом.

Индекс «К» означает способность транзистора сохранять работоспособность при коротком замыкании (Sort Circuit Safe Operation Area, SCSOA). Этот термин введен компанией IR для транзисторов, которые имеют дополнительную защиту против короткого замыкания. Это свойство очень полезно при работе транзисторов на удаленную индуктивную нагрузку (электродвигатель). В этих условиях длинные линии подвержены воздействию внешних помех, а случайные механические повреждения могут привести к короткому замыканию выводов транзистора.

Самым мощным представителем этих транзисторов является IRG7PSH73K10. Этот компонент имеет широкую область безопасной работы в режиме короткого замыкания, что позволяет ему выдерживать ток КЗ без разрушения кремниевой структуры и ухудшения рабочих характеристик в течение 10 мкс и обеспечивает рабочий ток до 130 А при T

c = 100 °С. Совокупность указанных параметров делает чрезвычайно эффективным применение этого транзистора в системах управления мощными двигателями, индукционных печах, сварочных аппаратах и других высоковольтных инверторах [3].

 

Скоростные характеристики транзисторов Gen7

Как было отмечено выше, IGBT-транзисторы являются низкочастотными полупроводниковыми приборами с рабочей частотой до 200 кГц. Повышение рабочей частоты приводит к увеличению динамических потерь в транзисторе, что обусловлено энергией переключения транзистора, то есть энергией, которую необходимо передать транзистору для обеспечения его полноценного открытия или закрытия. Этот процесс поясняет рис. 4.

Рис. 4. Осциллограммы потерь на переключение у различных IGBT

Потери на переключение транзистора определяются площадью заштрихованной фигуры, которая получается за счет пересечения эпюры тока (Ice), протекающего через транзистор, с эпюрой напряжения коллектор-эмиттер (Vce). На осциллограммах видно, что в зависимости от области применения IGBT можно подобрать компоненты с оптимальными частотными характеристиками и свести к минимуму потери на переключение. Здесь нужно учитывать, что при уменьшении потерь на переключение возрастают потери проводимости. Все это приводит к тому, что IGBT-транзисторы, в отличие от MOSFET, имеют строгую классификацию по динамическим характеристикам. Пример подобной классификации, применяемой компанией International Rectifier для своих IGBT-транзисторов, представлен в таблице 2.

Таблица 2. Классификация транзисторов IGBT IR по быстродействию
Тип Fsw, кГц Vce(on), В Ets, мДж
S — Standard (стандарт) <1 1,2 6,95
F — Fast (быстрые) 1-8 1,4 2,96
U — Ultrafast (ультрабыстрые) 8-30 1,7 1,1
W — Warp (сверхбыстрые) >30 2,05 0,34

Транзисторы, произведенные по технологиям Trench и Field-Stop, имеют очень низкие статические потери и быстрые кристаллы со скоростью переключения до 150 кГц при рабочем токе более 100 А.

Для маркировки транзисторов седьмого поколения компания IR разработала удобную и эффективную систему присвоения наименования (Part Number System), представленную на рис. 5.

Рис. 5. Система обозначений для транзисторов Gen 7 IR

Маркировка «К» при обозначении скорости транзистора означает не максимальную скорость коммутации транзистора, а указывает на наличие SCSOA-области работы транзистора, гарантирующей сохранение его работоспособности при коротком замыкании. Скоростные характеристики таких транзисторов соответствуют классу Ultrafast (ультрабыстрые).

 

Заключение

IGBT-транзисторы седьмого поколения компании International Rectifier предназначены для различных электрических схем промышленного и бытового назначения.

Высокие технические характеристики и надежность дополняет привлекательная цена, что, естественно, должно склонять разработчиков к выбору этих транзисторов. Также нужно учитывать, что малое падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии позволяет рекомендовать их в качестве наиболее эффективных решений для приложений, где потери на проводимость являются весомым фактором.

При проектировании нового поколения транзисторов International Rectifier был учтен опыт других производителей. Перед разработчиками компании стояла цель: создать конкурентоспособную продукцию. Поэтому новые компоненты найдут свое применение при модернизации уже существующих приборов: ими можно заменить аналогичные транзисторы других производителей.

IGBT силовые транзисторы International Rectifier шестого поколения

Известно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) обладают преимуществами легкого управления полевыми МОП-транзисторами и низкими потерями проводимости, характерными для биполярных транзисторов. На рис. 1 показана эквивалентная схема IGBT-транзистора.

Рис. 1. IGBT можно представить как комбинацию биполярного p_n_p транзистора и MOSFET

Традиционно IGBT используют в тех случаях, где необходимо работать с высокими токами и напряжениями. IGBT-транзисторы в настоящее время выпускают десятки производителей. Среди них — Infineon Technologies, Semikron, International Rectifier, Fairchild Semiconductor, Toshiba, Hitachi, MITSUBISHI, FUJI, IXYS, Power Integration, Dynex Semiconductor и другие.

В конце 1980-х годов было создано первое поколение IGBT-транзисторов, а уже в начале 1990-х появились второе и третье. Прогресс в технологии IGBT шел по линии увеличения рабочих напряжений и токов, а также повышения эффективности преобразования за счет снижения потерь мощности на кристалле как в статическом, так и в динамическом режимах. Происходило и удешевление приборов. К настоящему времени и для серийного производства уже используются технологии четвертого, пятого и шестого поколений IGBT-транзисторов. Следует отметить, что нумерация поколений достаточно условна и у разных фирм может отличаться.

 

Развитие технологии IGBT-транзисторов фирмой IR

Компания International Rectifier является признанным лидером в разработке и производстве высококачественных силовых полупроводниковых приборов. Диапазон продукции IR достаточно широк и объединяет в себе различные направления. Это и дискретные устройства (биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), мощные полевые транзисторы (MOSFET) и модульные сборки на основе кристаллов дискретных элементов, а также ИМС для управления энергосберегающими источниками света, силовые ИМС для электронных балластов люминесцентных ламп и ламп высокого давления, микросхемы драйверов IGBT и MOSFET, включая высоковольтные микросхемы HVIC, продукты на базе интегрированной платформы IMotion и цифровые контроллеры для управления электроприводом, продукты платформы SupIRBuck, микроэлектронные твердотельные реле. В настоящий момент фирма выпускает широкую номенклатуру IGBT, для производства которых используются технологии 4-го (4 PT IGBT), 5-го (5 Non-PT IGBT) и 6-го поколений (DS Trench IGBT). Для первых двух технологий в полевом транзисторе используется планарный затвор, а в последнем (DS Trench) — вертикальный. Собственно, структуры приборов для данных технологий разработаны уже давно и используются производителями на протяжении многих лет. Все дело в нюансах, которые дают возможность производителю реализовать те или иные преимущества технологии. И цена производства кристалла имеет не последнее значение. На рис. 2 показана эволюция технологии IGBT-транзисторов фирмы IR.

Рис. 2. Эволюция технологии IGBT-транзисторов в IR

Новые транзисторы оптимизированы для работы на частотах переключения до 20 кГц, и для снижения энергии потерь на проводимости и переключении в них использована Trench-технология. Эти IGBT с антипараллельным ультрабыстрым диодом имеют энергию переключения ETS и более низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер VCE(on), чем IGBT PT и NPT типа. Кроме того, ультрабыстрый диод с мягким восстановлением дополнительно повышает эффективность преобразования и снижает уровень генерируемых помех.

 

Технология с вертикальным затвором

Для данного типа технологии затвор полевого транзистора сформирован в виде глубокой канавки (trench gate) на подложке (рис. 2). При изготовлении Trench-FS (Field Stop) транзисторов используется буферный n+ слой в основании подложки. В сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера структура затвора позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки и уменьшить напряжение насыщения транзисторов Trench-FS на 30% по сравнению с транзисторами, созданными по технологии NPT. Уменьшается почти на 70% и площадь кристалла, обеспечивается большая плотность тока транзистора.

Технология Trench немного сложнее и дороже, чем NPT. Однако уменьшение размера кристалла Trench-FS снижает его удельную себестоимость, что в итоге позволяет уравнять цены на готовую продукцию по отношению к аналогичным приборам, производимым по другим технологиям. Кроме того, благодаря снижению энергии потерь, при равноценной площади кристалла существенно возрастает ток транзистора (до 60%).

У вертикального затвора, в отличие от пла-нарного, отсутствуют горизонтальные пути протекания тока. Ток течет к коллектору по кратчайшему пути, что обеспечивает снижение потерь на проводимость. Trench IGBT имеют самый низкий уровень статических и динамических потерь среди IGBT, производимых компанией. У новых Trench IGBT благодаря уменьшению длины «хвоста» обеспечивается более плавная траектория переключения, чем у NPT IGBT. «Хвостом» (tail current) называется остаточный ток коллектора биполярного транзистора IGBT, возникающий из-за рассасывания носителей в области базы после запирания транзистора. Благодаря этому энергия выключения стала на 10-20% ниже, чем у NPT IGBT.

 

Линейка 600 В IGBT-транзисторов Trench 6-го поколения

Семейство 600-вольтовых Trench IGBT в первую очередь ориентировано на использование в UPS-источниках и преобразователях солнечной энергии мощностью до 3 кВт. Силовые приборы этого семейства могут также служить эффективной заменой аналогичных IGBT-транзисторов в системах управления приводом компрессоров в холодильниках, индукционных системах нагрева, а также в приводах мощных вентиляторов. Приборы позволяют на 30% снизить мощность рассеивания по сравнению с IGBT других типов. Компания разработала линейку из 8 приборов в корпусах TO-220TO-247, с рабочим напряжением 600 В и токами 4-48 А.

Для всех типов данных транзисторов используются кристаллы толщиной 70 мкм. Гарантированное время выдержки режима короткого замыкания — не менее 5 мкс для всех типов линейки.

Все корпусированные приборы выполнены по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипараллельный ультрабыстрый диод). Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры 600 В IGBT-транзисторов 6-го поколения Trench

Тип транзистора

 

Корпус

 

Imax (25 °С), A

 

Imax

(100 °C), A

 

Vce (175 °C), В

 

Ets (175 °C), мкДж

 

Rth(j-c), °C/Вт

 

Мощность, кВт

IRGC4059B IRGB4059D

 

 

 

 

 

 

б/корп. ТО-220

8

4

2,2

210

2,7

0,8

IRGC4045B IRGB4045D

12

6

2,14

329

1,94

1,0

IRGC4060B IRGB4060D

16

8

1,95

405

1,51

1,2

IRGC4064B IRGB4064D

20

10

2,00

415

1,49

1,3

IRGC4056B IRGB4056D

24

12

1,97

540

1,07

1,5

IRGC4061B IRGB4061D

36

18

2,5

855

0,73

2,0

IRGC4062B IRGB4062D IRGP4062D

б/корп. ТО-220 TO-247

 

48

 

24

 

2,04

 

1260

 

0,6

 

2,5

IRGC4063B IRGB4063D

б/корп. ТО-220

96

48

2,10

3210

0,45

4,0

 

Система обозначений для IGBT-транзисторов Trench

Для ранее разработанных IGBT-транзисторов использовалась следующая система обозначений (рис. 3).

Рис. 3. Первая система обозначений для транзисторов IGBT IR

В данной системе обозначений присутствует суффикс, определяющий подкласс по быстродействию прибора (таблица 2).

Таблица 2. Классификация транзисторов IGBT IR по быстродействию

Параметры/подкласс

Standard

Fast

Ultrafast

Vce, В

1,3

1,5

1,9

Энергия переключения, мДж/A·мм2

0,54

0,16

0,055

Потери проводимости, Вт (при 50% постоянного тока)

0,625

0,75

0,95

В процессе разработки новых приборов возникла необходимость введения добавочных суффиксов, определяющих дополнительные параметры транзисторов, поэтому система обозначений была изменена (рис. 4). Эта система, в частности, использовалась для маркировки 600 В Trench IGBT.

Рис. 4. Система обозначений для 600 В Trench IGBTтранзисторов

После разработки технологии 1200 В Trench IGBT (Gen 6.3+) фирма ввела новую систему обозначений для новых IGBT-транзисторов 4-го и 6-го поколений, которая показана на рис. 5. Для ранее разработанных 600 В транзисторов пока сохраняется маркировка, приведенная на рис. 4.

Рис. 5. Система обозначений для поколения Gen 6.3+

 

 

Преимущества транзисторов по технологии Trench

Напряжение в открытом состоянии Uce на 30% ниже аналогичного параметра для транзисторов 4-го и 5-го поколений и обеспечивает меньше рассеяние энергии на кристалле и нагрев, повышается эффективность преобразования энергии. Меньшая емкость затвора обеспечивает большее быстродействие, упрощает управление транзистором и снижает уровень динамических потерь.

Квадратная (Square) форма зоны допустимых режимов безопасной работы обеспечивает большую надежность прибора при работе с критическими токами и напряжениями. Незначительный остаточный ток выключения и малые потери выключения (EOFF) позволяют транзисторам работать на более высоких частотах. На рис. 6 показаны сравнительные характеристики допустимой рассеиваемой мощности на кристалле для транзисторов Trench и IGBT-транзисторов с планарным затвором.

Рис. 6. Зависимость рассеиваемой мощности от среднеквадратичного выходного тока

Более высокая допустимая температура кристалла (175 °С) обеспечивает расширение диапазона рабочих температур и повышает надежность прибора. Температура радиатора при аналогичных режимах работы у транзистора Trench будет ниже. Меньшие размеры корпуса транзисторов Trench в сочетании с сокращением размеров радиатора позволяют ужать печатную плату.

Параметры транзисторов 6-го поколения обеспечивают более эффективное преобразование энергии и могут быть рекомендованы в качестве замены транзисторов 4-го и 5-го поколений соответствующей мощности, а также аналогичных транзисторов других производителей.

Технология с вертикальным затвором стала разрабатываться компанией International Rectifier уже тогда, когда на рынке получили широкое распространение Trench IGBT других производителей, в том числе и ведущих в данном секторе фирм — Infineon и Toshiba. Поэтому в процессе разработки линейки нового поколения IGBT-транзисторов перед специалистами IR стояла сложная задача достижения высоких параметров в сочетании с низкой ценой, что позволило бы обеспечить конкурентоспособность продукции на рынке.

Таблица 3. Рекомендуемая замена транзисторов 4-го и 5-го поколений на транзисторы Trench

Ic (Tc=100 °C, Vge = 15 В), А

Trench IGBT 6Gen

NPT IGBT 5Gen

PT IGBT 4Gen

4

IRGB4059D-PBF

IRGB4B60KD1

IRG4BC10SD IRG4BC15MD

TO-220

IRGB4B60KD

IRG4BC15UD IRG4BC10KD

6

IRGB4045D-PBF

IRGB8B60KD

IRG4BC20SD

IRG4BC20FD

IRG4BC20MD

IRG4BC20UD

IRG4BC20KD

TO-220

8

IRGB4060D-PBF

TO-220

10

IRGB4064D-PBF

TO-220

IRGB10B60KD

IRGB15B60KD

IRGP20B60PD

IRG4BC30SD

IRG4BC30FD

IRG4BC30MD

IRG4BC30UD

IRG4BC30KD

IRG4PC40UD

IRG4PC40W

12

IRGB4056D-PBF

TO-220

18

IRGB4061D-PBF

TO-220

24

IRGB4062D-PBF

TO-220

IRGP35B60PD

IRG4PC40UD

IRG4PC50UD

IRG4PC50W

IRG4PC40WD

48

IRGB4063D-PBF

TO-220

IRGP35B60PD

IRGP50B60PD

IRG4PC50UD IRG4PC60

 

Сравнение параметров IGBT-транзисторов 6-го поколения IR с аналогичными Trench IGBT-транзисторами Infineon и Toshiba показало, что по комплексу качеств они не уступают конкурентам, а по отдельным характеристикам даже превосходят их.

Однако следует признать тот факт, что по некоторым параметрам IGBT-транзисторы Infineon сохранили превосходство над транзисторами IR. Проверка по методике International Rectifier показала, что напряжение Uce в открытом состоянии для отдельных типов транзисторов Trench IGBT фирмы Infineon меньше на 30%, чем у аналогичных по мощности транзисторов IR. Быстродействие транзисторов IR оказалось немного хуже, чем у транзисторов Infineon, но намного лучше, чем у Trench IGBT фирмы Toshiba.

Таблица 4. Сравнение ключевых параметров IGBT-транзисторов по технологии Trench от разных производителей

 

FGA25N120FTD Fairchild

IKW25N120T2 Infineon

IRG7Ph52UDPBF IR

Technology

FS Trench

 

 

Vce(on) (10 A), В

1,5

1,5

1,40

Vce(on) (20 A), В

1,8

1,8

1,75

Eoff (10 A, 600 В), мкДж

700

800

550

Eoff (20 A, 600 В), мкДж

1150

1700

950

Rth(j-c), °C/Вт

0,4

0,43

0,38

В настоящее время фирма Infineon является лидером в разработке IGBT-технологий, и проигрыш International Rectifier носит скорее временный характер. В планах разработчиков в ближайшее время достичь уровня Uсе и обеспечить быстродействие не хуже, чем у Infineon. В таблице 5 приведены аналоги транзисторов IR и Infineon для выбора альтернативной замены.

Таблица 5. Аналоги транзисторов Infineon и IR

Транзисторы Infineon

Транзисторы IR

Близость аналогов

Корпус

SKP04N60, IKP04N60T

IRGB4059TRPPBF

Прямая замена

ТО-220

SKP06N60, IKP06N60T

IRGB4045TRPPBF

Прямая замена

ТО-220

IKA10N60T

IRGB4060TRPPBF

ТО-220

SKP10N60, IKA10N60T

IRGB4064TRPPBF

Близкая замена

ТО-220

IKW50N60

IRGB4063TRPPBF

Близкая замена

ТО-247

 

1200-вольтовые Trench IGBT

Первые члены этого модельного ряда транзисторов были представлены на рынке в начале 2009 г. В таблице 6 приведены параметры линейки IGBT-транзисторов IR с рабочим напряжением 1200 В.

Таблица 6. Параметры транзисторов 1200 В IGBT по технологии Trench-FS

Тип

Vce(on), В

Ic (100 °C), А

Tsc, мкс

Частота, КГц

Исполнение

Co-Pack/Single switch

Корпус

IRG7Ph40K10D

2,2

10

10

4–20

Встроенный диод

TO-247

IRG7Ph40K10

2,2

10

10

4–20

Только ключ

TO-247

IRG7PSH73K10

2,2

90

10

 

Только ключ

TO-247

IRG7Ph45UD

1,9

20

0

 

Встроенный диод

TO-247

IRG7Ph52UD

1,8

30

0

5–40

Встроенный диод

TO-247

IRG7Ph56UD

1,8

40

0

 

Встроенный диод

TO-247

IRG7PSH50UD

1,8

50

0

 

Встроенный диод

Super TO-247

 

Области применения 600 и 1200 В IGBT-транзисторов 6-го поколения

Применение Trench IGBT-транзисторов позволяет повысить эффективность работы силовых модулей в различных приложениях. Области применения Trench IGBT:

  • АС/DC, DC/AC-преобразователи;
  • инверторы солнечных батарей;
  • системы индукционного нагрева;
  • преобразователи напряжений в гибридных автомобилях;
  • электропривод в стиральных машинах;
  • электронный балласт в модуле управления ксеноновым светом автомобильных фар;
  • управление компрессором холодильника;
  • формирователь высокого напряжения в микроволновых печах;
  • электропривод компрессоров кондиционера;
  • инверторы сварочных аппаратов.

В таблице 7 приведены требования, предъявляемые к параметрам IGBT-транзисторов для различных приложений.

Таблица 7. Требования к параметрам IGBT-транзисторов для различных секторов применения

 

Область применения

 

Сектора

Напряжение питания, В

Напряжение в преобразователях Sw, В

 

Частота, КГц

Низкое Vce

Малые дин. потери Ets

Tsc, мкс

Поколение IGBT

Электроприводы

Промышленный сектор

240

600

4–16

 

 

10

5; 6.2; 6.2i

480

1200

 

 

 

10

5; 6.7K

Бытовой сектор

110

330

3

да

 

2

6

230

600

 

 

 

 

6. 2; 6.8; 4F

Гибридные автомобили

240

600

20

да

 

6

 

480

1200

 

 

 

6

6.8

Корректоры мощности (PFC)

 

 

600

20, 40, 80

 

да

5W; 6.2

 

 

900

20, 40

 

да

4W; 6.7U

Источники бесперебойного питания (UPS)

 

230

600

 

 

 

6. 2

 

480

900

 

 

 

6.7U

Сварочные инверторы

 

 

600

20

 

да

5; 6.2

 

 

600

100

да

 

4S

 

 

1200

20

 

да

5; 6.7U

 

 

1200

100

да

 

4S

Инверторы солнечных батарей

 

 

600

20

 

да

5, 6. 2

 

 

600

50/60

да

 

4S

 

 

1200

20

 

да

5; 6.7

 

 

1200

50/60

да

 

4S

Индукционный нагрев

 

 

600

>20

да

 

6.2

 

 

1200

>20

да

 

6.7U

 

Драйверы плазменных панелей

 

 

330

>20

да

да

6. 0; 6.5

 

 

600

>20

да

да

6.5

Управление освещением

Электронный балласт для ксенонового автосвета

 

12

 

600

 

<400

 

да

 

 

 

4S; 6.8S

Источники питания

Мостового типа

400

600

>20

 

да

5; 6.2

800

1200

>20

 

да

5; 6.3

Ниже будут более подробно рассмотрены примеры использования Trench IGBT, обеспечивающие эффективность готового устройства.

Инвертор 220 В для солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи нашли активное применение как источник электроэнергии, объемы их продаж год от года неуклонно растут. Солнечные батареи образованы из модулей солнечных фотоэлементов, обеспечивающих напряжение от 12 до 100 В и рабочие токи до нескольких десятков ампер. В промышленных применениях (например, опреснители морской воды) используются солнечные батареи с выходным напряжением от 24 до 100 В и мощностью в несколько киловатт. Схема преобразования солнечной энергии такова: солнечная батарея—буферный аккумулятор—инвертор (DC/AC-конвертор) 220/380 В—промышленная установка, питающаяся от сети 220/380 В. На рис. 7 показана структура DC/AC-инвертора для солнечных батарей.

Рис. 7. Структура инвертора для питания от солнечных батарей

А на рис. 8 приведен конкретный пример реализации инвертора мощностью 500 Вт с использованием силовых элементов IR, в том числе и Trench IGBT-транзисторов 6-го поколения, обеспечивающих более высокую эффективность преобразования солнечной энергии.

Рис. 8. Инвертор для солнечной батареи мощностью 500 Вт

В схеме используются микросхемы и дискретные транзисторы IR:

  • 600 В Trench IGBT-транзистор IRGB4056DPBF;
  • 100 В DirectFET транзисторы, IRF6644;
  • генератор для управления мостовой схемой IR2086S;
  • 600 В микросхема полумостового драйвера IRS2184S.

Для синтеза 50 Гц используется частота ШИМ 20 кГц.

На рис. 9 показана демо-плата инвертора, собранного по данной схеме. Размер платы около 100×40 мм.

Рис. 9. Демо-плата 500 Вт 220 В инвертора для солнечной батареи

Управление электроприводом

На рис. 10 показана типовая схема управления асинхронным электродвигателем. Модуль управления может быть использован в стиральных машинах, компрессорах холодильников или кондиционеров. В качестве силовых ключей в схеме используются Trench IGBT-транзисторы.

Рис 10. Типовая схема интеллектуального привода для асинхронного двигателя мощностью от 250 Вт до 2 кВт

Драйверы плазменных матричных панелей

Для управления поджигом и гашением разряда в пикселях матричной плазменной панели требуется формирование высоковольтных сигналов сложной формы. IGBT-транзисторы идеально подходят в качестве ключевых элементов для реализации гибридных многовыходных драйверов в плазменной панели. Матричная система пикселей плазменной панели с точки зрения управления представляет собой емкостную нагрузку. Ключевые приборы для таких устройств должны быстро включаться, обеспечивать высокие импульсные токи и иметь низкое падение напряжения в открытом состоянии.

На рис. 11 показана структура плазменной панели.

Рис. 11. Структура плазменной панели

На рис. 12 показана схема управления пикселем плазменной панели.

Рис. 12. Схема управления одним пикселем в плазменной панели на базе IGBT-ключей

Схема обеспечивает синтез сигналов сложной формы с большим диапазоном напряжений (от -150 до +400 В) и импульсных токов.

 

Заключение

В первую очередь транзисторы Trench IGBT могут использоваться в качестве альтернативной замены аналогичных приборов, ранее разработанных компанией International Rectifier, обеспечивая увеличение эффективности преобразования энергии и снижение цены готового устройства.

Транзисторы Trench IGBT могут с успехом заменять все равноценные по мощности типы транзисторов 4-го и 5-го поколений IGBT, если только значение параметра SCSOA спецификации — 5 uS окажется приемлемым для данных применений. Во всех случаях при замене будет обеспечена лучшая эффективность преобразования, а также большая плотность мощности. Транзисторы 6-го поколения IGBT IR могут использоваться и в качестве недорогой альтернативы аналогичным приборам, выпускаемым другими производителями. Поколение Trench IGBT позволяет сбалансировать потери на переключениях и проводимости и использовать биполярные транзисторы с изолированным затвором в области высоких частот вместо полевых МОП-транзисторов, одновременно обеспечивая высокий КПД. Преимущества IGBT-транзисторов 6-го поколения позволят им потеснить, а по мере совершенствования технологии IGBT и вовсе заменить полевые МОП-транзисторы в импульсных источниках питания.

Литература
  1. Транзисторы Trench IGBT шестого поколения. Башкиров В. // Новости электроники. 2007. № 7.
  2. Силовые IGBT-модули Infineon Technologies. Анатолий Б. // Силовая электроника. 2008. № 2.
  3. IGBT или MOSFET? Проблема выбора. Евгений Д. // Электронные компоненты. 2000. № 1.
  4. Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением. Александр П. // Современная электроника. 2004. № 4.
  5. Транзисторы IGBT. Новинки от компании International Rectifier. Волошанская Е. // Электроника: НТБ. 2005. № 5.
  6. AC TIG Welding: Output Inverter Design Basics. Roccaro A., Filippo R., Salato M. Application Notes AN-1045
  7. IGBT Characteristics. Application Note AN-983.

IGBT транзисторы. Справочник. Характеристики и параметры.

Отечественные производители IGBT (БТИЗ) транзисторов

IGBT справочник составлен из транзисторов, входящих в прайсы интернет-магазинов. Кроме того, приведены близкие по параметрам MOSFET транзисторы, которые могут составить конкуренцию IGBT (а где-то и лучше, если главным параметром становится быстродействие).

IGBT транзисторы на напряжение до 600В   IGBT транзисторы на напряжение до 1200В   IGBT транзисторы частотой 1-5 кГц   IGBT транзисторы с максимальной частотой до 20кГц   Высокочастотные IGBT транзисторы  

IGBT транзисторы Без диода   CoPack IGBT транзисторы С диодом   Показать все  

Основные характеристики IGBT.







IGBT MOSFET PDF Imax, A/
Uce(on),В
Корпус Примечание
Указан максимальный допустимый постоянный ток при Ткорп=100ºС и типичное падение напряжения при этом токе и Тj=150ºС  

1. IGBT транзисторы на напряжение до 600В
IRG4IBC20UD   6.0/1.87 ТО-220F UFAST, диод,
изолир корп
справочные данные на IGBT транзистор в изолированном корпусе IRG4IBC20UD
IRG4IBC20KD   6.3/2.05 ТО-220F FAST,диод,КЗ уст,
изолир крп
 
IRG4BC20UD IRF840 6.5/1.87 ТО-220 UFAST, диод IGBT и MOSFET транзисторы, аналогичные по характеристикам
IRG4BC20W   6.5/2.05 ТО-220 FAST ультрабыстрый IGBT транзистор IRG4BC20W, справочные данные
IRG4BC15UD SPP11N60 7.8/2.21 ТО-220 UFAST, диод IGBT и MOSFET транзисторы
IRG4IBC30UD SPP17N80 8. 9/1.90 ТО-220F UFAST, диод,
изолир корп
IGBT и MOSFET транзисторы, близкие по характеристикам
IRG4BC30W-S   12/1.95 D2pak UFAST IGBT транзистор IRG4BC30W для корректоров мощности, справочные данные
IRGS10B60KD   12/2.20 D2pak диод, КЗ уст IGBT транзистор с диодом IRGS10B60KD, характеристики
IRG4RC20F   12/2.04 D2pak IGBT транзистор для поверхностного монтажа IRG4RC20F
IRG4BC30U
IRG4PC30U

12/2.09 ТО-220
TO-247
UFAST ультрабыстрые IGBT транзисторы IRG4BC30U и IRG4PC30U,, справочные данные
HGTP12N60C3   12/1.85 ТО-220 КЗ уст IGBT транзистор HGTP12N60C3, справочные данные
HGTP12N60C3D   12/1. 85 ТО-220 диод, КЗ уст IGBT транзистор с антипараллельным диодом HGTP12N60C3, справочные данные
IRG4BC30W
IRG4PC30W
SPP20N60
SPW20N60

12/1.95 TO-220
ТО-247
UFAST IGBT транзисторы для корректоров мощности IRG4PC30W и близкие по характеристикам MOSFET транзисторы
IRG4BC30UD
IRG4PC30UD
BUZ30A
IRFP460

12/2.09 TO-220
ТО-247
UFAST, диод ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом IRG4PC30UD, характеристики и близкие MOSFET аналоги
HGTG12N60B3   12/1.70 ТО-247 FAST HGTG12N60B3 — ультрабыстрый IGBT транзистор, характеристики
HGTG12N60C3D   12/1.85 ТО-247 диод, КЗ уст HGTG12N60C3 — IGBT транзистор с диодом, параметры
SKP15N60 IRFP360
IRFP22N60
15/2. 30 ТО-220 UFAST,диод,КЗ уст SKP15N60 — ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом в корпусе TO-220, характеристики и близкие MOSFET аналоги
IRG4BC30K-S
IRG4BC30K
 
16/2.36 D2Pak
TO-220
FAST,КЗ уст IRG4BC30K-S и IRG4BC30K — IGBT транзисторы, оптимизированные под управление электродвигателями
IRG4BC30KD-S
IRG4BC30KD
IRG4PC30KD
IRFP27N60

16/2.36 D2Pak
TO-220
TO-247
FAST,диод,КЗ уст ультрабыстрые IGBT транзисторы IRG4BC30KD-S, IRG4BC30KD, IRG4PC30KD, справочные данные, MOSFET транзистор IRFP27N60
IRG4BC30FD-S
IRG4PC30FD
 
17/1.70 D2Pak
TO-247
+ диод IGBT транзисторы IRG4BC30FD и IRG4PC30FD с низким падением напряжения, справочные данные
IRG4BC30F   17/1. 70 ТО-220 IGBT транзистор IRG4BC30F с низки падением напряжения
IRG4PC30S   18/1.45 ТО-247   IGBT транзистор IRG4PC30S с низким падением напряжения
IRGS8B60K   19/2.70 D2pak КЗ уст IGBT транзистор IRGS8B60K, справочные данные
IRG4BC40U
IRG4PC40U
IRFP27N60
20/1.70 ТО-220
TO-247
UFAST характеристики IGBT транзисторов IRG4BC40U и IRG4PC40U, MOSFET транзистор IRFP27N60 с аналогичными параметрами
IRG4PC40UD IRFP31N50
IRFP27N60
20/1.70 ТО-247 UFAST, диод IGBT и MOSFET транзисторы, близкие по характеристикам
IRG4BC40W
IRG4PC40W
 
20/1. 90 ТО-220
TO-247
UFAST IGBT транзисторы для PFC IRG4BC40W и IRG4PC40W
HGTG20N60B3   20/2.10 ТО-247 FAST, КЗ уст ультрабыстрый IGBT транзистор HGTG20N60B3, характеристики
HGTG20N60B3D   20/2.10 ТО-247 FAST,диод,КЗ уст IGBT с антипараллельным диодом HGTG20N60B3D, справочные данные
IRGB20B60PD1
IRGB20B60PD
 
22/3.30 ТО-20
TO-247
UFAST, диод ультрабыстрый IGBT транзистор IRGB20B60PD с диодом
IRGP4062D IRFPS40N60 24/2.03 ТО247 UFAST,диод,КЗ уст ультрабыстрый IGBT и MOSFET транзисторы IRGB20B60PD и IRFPS40N60, характеристики
IRG4PC40K 25/2.14 ТО-247 FAST, КЗ уст быстрый IGBT транзистор IRG4PC40K на ток до 25А
IRG4PC40KD 25/2. 14 ТО-27 FAST, диод, КЗ уст IGBT с диодом IRG4PC40KD
IRG4BC40F
IRG4PC40F
 
27/1.6 ТО-220
TO-247
IGBT с низким падением напряжения IRG4PC40F, среднечастотного диапазона
IRG4PC40FD   27/.56 ТО-247 +диод  
IRG4PC50UD IRFPS40N50 27/1.60 ТО-247 UFAST, диод ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом IRG4PC50UD, справочные данные
IRG4PC50W 27/1.71 ТО-247 UFAST IGBT и MOSFET транзисторы IRG4PC50W и IRFPS40N50, справочные данные
SGP30N60 30/2.50 ТO-220 FAST, КЗ уст IGBT транзистор SGP30N60, устойчивый к короткому замыканию
SGW30N60 30/2. 50 ТО-247 FAST, КЗ уст IGBT транзистор SGW30N60, характеристики и параметры
IRG4PC50K   30/1.84 ТО-247 FAST, КЗ уст. igbt IRG4PC50K на ток до 30А
IRG4PC50KD   30/1.84 ТО-247 FAST,диод,КЗ уст. igbt транзистор IRG4PC50KD с диодом, на ток до 30А
IRGP35B60PD   34/3.00 ТО-247 UFAST, диод ультрабыстрый igbt с диодом IRGP35B60PD, характеристики
IRG4PC50F   39/1.53 ТО-247 мощный медленный, но зато с низким падением напряжения igbt IRG4PC50F
IRG4PC50FD   39/1.53 ТО-247 +диод мощный igbt транзистор с диодом IRG4PC50FD
HGTG40N60B3 IPW60R045 40/1. 50 ТО-247 FAST, КЗ уст Ультрабыстрые IGBT транзисторы HGTG40N60B3, справочные данные
IRG4PC50S   41/1.28 ТО-247 мощные IGBT транзисторы IRG4PC50S, параметры
IRGP50B60PD1   45/3.10 ТО-247 UFAST,диод мощный ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом IRGP50B60PD, характеристики
IRGP4063D   48/2.05 ТО-247 UFAST,диод,КЗ уст мощный IGBT IRGP4063D — транзистор, устойчивый к короткому замыканию
IRGP4068D   48/2.05 ТО-247 UFAST,диод,КЗ уст мощный IGBT транзистор, устойчивый к короткому замыканию IRGP4068D
IRGS30B60K
IRGB30B60K
  50/2.60 D2pak
ТО-220
КЗ уст. мощные IGBT транзисторы IRGS30B60K и IRGB30B60K
SGW50N60 50/3.15 ТО-247 FAST, КЗ уст мощный быстрый IGBT транзистор SGW50N60, устойчивый к короткому замыканию
IRG4PSC71K 60/1.81 S-247 FAST,КЗ уст мощный быстрый IGBT транзистор IRG4PSC71K, устойчивый к короткому замыканию
IRG4PSC71KD 60/1.81 S-247 FAST,диод,КЗ уст мощный быстрый IGBT транзистор IRG4PSC71KD, с диодом, устойчивый к короткому замыканию
IRG4PSC71U 60/1.71 S-247 UFAST мощный ультрабыстрый IGBT транзистор IRG4PSC71U
IRG4PSC71UD IRFP4668 60/1.71 S-247 UFAST, диод мощный ультрабыстрый IGBT транзистор с диодом IRG4PSC71UD и MOSFET транзистор IRFP4668
IXGH60N60C2 60/1. 80 TO-247 UFAST мощный ультрабыстрый IGBT транзистор IXGH60N60C2 и близкий по току MOSFET

2. IGBT транзисторы на напряжение до 1200В
SGP02N120 2.8/3.70 ТО-220 FAST, КЗ уст igbt 1200v, 2.8A
IRG4Ph30K IRFPG50 5.0/2.84 О-247 КЗ уст igbt на ток до 5А
IRG4Bh30K-S 5.0/2.84 2Pak КЗ уст igbt на напряжение до 1200В
SGP07N120 8.0/3.70 ТО-220 FAST, КЗ уст ультрабыстрый igbt, напряжение до 1200В
IRG4Ph40K 10/3.01 ТО-247 FAST, КЗ уст ультрабыстрый igbt транзистор, напряжение до 1200В
IRG4Ph40KD 10/3. 01 ТО-247 FAST, диод,КЗ уст ультрабыстрый igbt с диодом, ток до 10А
IRG4Ph50KD 15/2.53 ТО-247 FAST, диод,КЗ уст igbt с диодом, ток до 15А
BUP203 15/4.00 ТО-220 FAST, 1000В IGBT транзистор BUP203, характеристики
SKW15N120 15/3.70 ТО-247 FAST,диод,КЗ уст igbt с диодом, ток до 10А
IRG7Ph40K10D   16/2.60 ТО-247 FAST,диод,КЗ уст. ультрабыстрый IGBT транзистор IRG7Ph40K10D, справочные данные
BUP314S 17/4.60 ТО-21 FAST igbt, ток до 17А
IRGPh50F 17/3.00 ТО247 транзистор igbt, напряжение до 1200В
BUP213 20/3. 60 ТО-220 FAST транзистор igbt, ток до 20А
IRGP20B120U-E   20/3.89 ТО-247 UFAST, КЗ ст. транзистор igbt, напряжение до 1200В
IRGP20B120UD-E   20/3.89 ТО-247 UFAST,диод,КЗ ут. транзистор igbt, ток до 20А
IRG4Ph50U   21/2.47 ТО-247 UFAST транзистор igbt, ток до 21А
IRG4Ph50UD   21/2.47 ТО-247 UFAST, диод высоковольтный транзистор igbt, ток до 21А
IRG7Ph40K10 IPW90R120 23/4.00 ТО-247 КЗ уст. IGBT транзистор IRG7Ph40K10, подробные характеристики
IRG4PH50KD 24/2.54 ТО-247 FAST, диод,КЗ ус  
IRG4PH50U 24/2. 54 ТО-247 UFAST  
IRG4PH50UD 24/2.54 ТО-247 UFAST, диод  
SGW25N120 25/3.70 ТО-247 FAST, КЗ уст  
SKW25N120 25/3.70 ТО-247 FAST,диод,КЗ уст  
IRG4PF50W 28/2.12 ТО-247 UFAST, 900В  
IRG4PF50WD 28/2.12 ТО-247 UFAST, диод, 900В  
IRGP30B120KD   30/2.98 ТО-247 FAST,диод,КЗ уст.  
BUP314 33/3.80 ТО-218 FAST  
BUP314D 33/3.80 ТО-218 UFAST, диод IGBT транзистор с диодом BUP314D , справочные данные
HGTG27N120B   34/3. 90 ТО-247 FAST, КЗ уст  
IRGPS40B120U   40/3.88 S-247 UFAST, КЗ уст мощный ультрабыстрый высоковольтный IGBT IRGPS40B120U
IRG4PSH71K   42/2.60 S-247 FAST, КЗ уст мощный быстрый высоковольтный IGBT транзистор IRG4PSH71K
IRG4PSH71KD   42/2.60 S-247 FAST,диод,КЗ уст мощный быстрый высоковольтный IGBT транзистор с диодом IRG4PSH71KD
IRG4PSH71U   50/2.40 S-247 UFAST мощный ультрабыстрый высоковольтный IGBT транзистор IRG4PSH71U
IRG4PSH71UD   50/2.25 S-247 UFAST, диод  
IRG7Ph52U   60/3.10 ТО-247 UFAST мощный ультрабыстрый высоковольтный IGBT транзистор IRG7Ph52U, характеристики
IRGPS60B120KD   60/3. 04 S-247 FAST,диод, КЗ уст мощный IGBT транзистор с диодом IRGPS60B120KD
IRG7PSH73K10   75/2.60 S-247 FAST,КЗ уст мощный устойчивый к короткому замыканию IGBT транзистор IRG7PSH73K10
  На главную
 

Самые мощные IGBT для промышленного применения от IR

4 июня 2014

Большинство систем промышленного назначения – электропривод, системы питания, индукционный нагрев, сварочные аппараты и др. — должны обеспечивать высокие (десятки кВт) выходные мощности, работать в жестких температурных условиях и обладать высокой надежностью. Как правило, подобные системы строятся на базе IGBT-транзисторов – полупроводниковых приборов, имеющих высокие допустимые рабочие температуры кристаллов и обеспечивающие высокие выходные токи при приемлемом уровне потерь.

Один из признанных мировых лидеров в производстве IGBT– компания InternationalRectifier – выпускает несколько серий IGBT промышленного применения для напряжений от 600 В до 1200 В с рабочими токами до 160 А при температуре кристалла 100°C.

Транзисторы выпускаются как в дискретном исполнении (в корпусе располагается только кристалл IGBT), так и в исполнении Co-Pack (в корпусе компонента располагаются кристаллы IGBT и быстродействующего антипараллельного диода). Некоторые IGBT транзисторы IR могут выдерживать режим короткого замыкания без разрушения структуры кристалла и корпуса в течении не менее 10 мкс (IRG7PSH73K10PBF), что делает их идеальным решением для систем промышленного электропривода.

Все мощные транзисторы выпускаются в выводных силовых корпусах TO-247 и TO-274 (Super-247), позволяющих эффективно отводит избыточное тепло на радиатор.

Характеристики наиболее мощных IGBT различных серий приведены в таблице. Все указанные транзисторы имеют максимальную рабочую температуру кристалла +175°C.

Наименование Тип Напряжение Vce, В Ток при 100°С, А Vce(on) макс., В Etotal макс., мДж Падение диода тип., В Корпус
IRGP4266DPBF Co-Pack (встроенный диод) 650 90 2.10 6.4 2.1 TO-247
IRGPS46160DPBF 600 160 2.05 9.2* 2.4 TO-274
IRGPS4067DPBF 160 2.05 12.3 2.4 TO-274
IRGP4690DPBF 90 2.10 4.6* 2.2 TO-247
IRGP4066DPBF 90 2.10 6.4 2.2 TO-247
IRG7PSH73K10PBF Дискретный 1200 130 2.30 14.3 нет TO-274
IRG7PH50UPBF 90 2. 00 7.8 TO-247
IRGP4266PBF 650 90 2.10 6.8 TO-247
IRGP4066PBF 600 90 2.10 6.4 TO-247

* — приведено типовое значение параметра

 

Для заказа бесплатных образцов указанных IGBT действуйте по инструкции:

Внимание! Компания Компэл работает только с организациями и индивидуальными предпринимателями — юридическими лицами. Для заказа образцов необходима регистрация на сайте.

•••

Наши информационные каналы
О компании Int. Rectifier

В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. …читать далее

Поиск по параметрам
600, 650, 1200 V IGBT транзисторы от IR

IGBT транзисторы. Устройство и работа.

Параметры и применение

В настоящее время в электронике имеют большую популярность IGBT транзисторы. Если расшифровать эту аббревиатуру с английского языка, то это биполярный транзистор с изолированным затвором. Он применяется в виде электронного мощного ключа для систем управления приводами механизмов, в источниках питания.

Этот силовой транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.

Наибольшей популярностью пользуются IGBT в силовых цепях преобразователей частоты и электродвигателей переменного тока мощностью до 1 мегаватта. По вольтамперным свойствам эти транзисторы аналогичны биполярным моделям полупроводников, но качество и чистота коммутации у них намного больше.

Современные технологии изготовления дают возможность оптимизировать транзисторы по функциональным характеристикам. Уже разработаны полупроводники, способные работать при большем напряжении и величине тока.

Основные параметры
  • Управляющее напряжение – это разность потенциалов, способная управлять работой затвора.
  • Наибольший допустимый ток.
  • Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.
  • Ток отсечки эмиттер-коллектор.
  • Напряжение насыщения эмиттер-коллектор.
  • Входная емкость.
  • Выходная емкость.
  • Паразитная индуктивность.
  • Период задержки подключения.
  • Период задержки выключения.
  • Внутреннее сопротивление.

В регуляторах скорости применяются IGBT транзисторы с рабочей частотой в несколько десятков кГц.

Достоинства
  • Простая параллельная схема.
  • Отсутствие потерь.
  • Повышенная плотность тока.
  • Устойчивость к замыканиям.
  • Малые потери в открытом виде.
  • Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).
  • Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).
При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:
  • Правильный подбор тока защиты.
  • Выбор сопротивления затвора.
  • Использование обходных путей коммутации.
Устройство и работа

Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.

 

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:
  • При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.
  • Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.

 

IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению.
Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:
  • С помощью привязки к определенному значению напряжения. Это достигается тогда, когда драйвер затвора имеет постоянное напряжение. Главным способом является добавление в схему диода, имеющего малое падение напряжения (диод Шоттки). Значительный эффект получается путем уменьшения индуктивности цепи затвора и питания.
  • Ограничение значения напряжения затвора путем использования стабилитрона в схеме затвора и эмиттера. Неплохая эффективность получается за счет установки диодов к дополнительным клеммам модуля. Диоды применяются с малым разбросом и температурной зависимостью.
  • Подключение в цепь отрицательной обратной связи эмиттера. Такой способ доступен, когда подключен эмиттер драйвера затвора к клеммам эмиттера модуля.
Сфера использования

IGBT транзисторы чаще всего работают в сетях высокого напряжения до 6,5 киловольт для надежной и безопасной работы электроустановок в аварийном режиме при коротких замыканиях.

Вышеперечисленные свойства транзисторов дают возможность использовать их в частотно-регулируемых приводах, инверторах, импульсных регуляторах тока, а также в сварочных аппаратах.

Также IGBT применяются в системах мощных приводов управления электровозов, троллейбусов. Это повышает КПД и создает повышенную плавность хода.

Силовые транзисторы широко используются в цепях высокого напряжения. Они входят в состав схем посудомоечных машин, бытовых кондиционеров, автомобильного зажигания, блоков питания телекоммуникационного оборудования.

Проверка исправности

IGBT транзисторы проверяются в случаях ревизии при неисправностях электрического устройства. Проверку проводят с помощью мультитестера путем прозвонки электродов эмиттера и коллектора в двух направлениях, чтобы проверить отсутствие замыкания. Емкость входа эмиттер-затвор необходимо зарядить отрицательным напряжением. Это делается кратковременным касанием щупа мультиметра «СОМ» затвора и щупа «V/Ω/f» эмиттера.

Чтобы произвести проверку, нужно убедиться, работает ли в нормальном режиме транзистор. Для этого зарядим емкость на входе эмиттер-затвор положительным полюсом.  Это делается коротким касанием щупа «V/Ω/f» затвора, а щупа «СОМ» эмиттера. Контролируется разность потенциалов эмиттера и коллектора, которая не должна превышать 1,5 вольта. Если напряжения тестера не хватит для открывания транзистора, то входную емкость можно зарядить от питания напряжением до 15 вольт.

Условное обозначение
Транзисторы имеют комбинированную структуру, то и обозначения у них соответствующие:

IGBT модули

Силовые транзисторы производятся не только в виде отдельных полупроводников, но и в виде модулей. Такие модули входят в состав частотных преобразователей для управления электромоторами.

Схема преобразователя частоты имеет технологичность изготовления выше, если в состав входят модули IGBT транзисторов. На изображенном модуле выполнен мост из двух силовых транзисторов.

IGBT транзисторы нормально функционируют при рабочей частоте до 50 кГц. Если частоту повышать, то повышаются и потери. Свои возможности силовые транзисторы проявляют максимально при напряжении выше 400 В. Поэтому такие транзисторы часто встречаются в мощных электрических приборах высокого напряжения, а также в промышленном оборудовании.

Из истории возникновения

Полевые транзисторы стали появляться в 1973 году. Затем разработали составной транзистор, который оснастили управляемым транзистором с помощью полевого полупроводника с затвором.

Первые силовые транзисторы имели недостатки, выражавшиеся в медленном переключении, низкой надежностью. После 90 годов и по настоящее время эти недостатки устранены. Силовые полупроводники имеют повышенное входное сопротивление, малый уровень управляющей мощности, малый показатель остаточного напряжения.

Сейчас существуют модели транзисторов, способных коммутировать ток до нескольких сотен ампер, с рабочим напряжением в тысячи вольт.

Похожие темы:

Что такое IGBT-транзисторы

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц. Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Владимир Дьяконов

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Ранее ЭлектроВести писали, что немецкие инженеры разработали полевой транзистор на основе оксида галлия с пробивным напряжением 1,8 кВ и рекордной добротностью — 155 МВт на квадратный сантиметр. Такие показатели приближают элемент к теоретическому лимиту оксида галлия.

По материалам: electrik.info.

принцип работы, разновидности полупроводников, основные параметры силовых компонентов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором широко используются в силовой электронике. Это надежные и недорогие компоненты, управляющиеся путем подачи напряжения на изолированный от цепи элемент. IGBT — транзистор, принцип работы которого чрезвычайно прост. Используется он в инверторах, системах управления электроприводами и импульсных источниках питания.

История появления

Первые полевые транзисторы были разработаны в 1973 году, а уже спустя 6 лет появились управляемые биполярные модели, в которых использовался изолированный затвор. По мере совершенствования технологии существенно улучшились показатели экономичности и качества работы таких элементов, а с развитием силовой электроники и автоматических систем управления они получили широкое распространение, встречаясь сегодня практически в каждом электроприборе.

Сегодня используются электронные компоненты второго поколения, которые способны коммутировать электроток в диапазоне до нескольких сотен Ампер. Рабочее напряжение у IGBT — транзисторов колеблется от сотен до тысячи Вольт. Совершенствующие технологии изготовления электротехники позволяют выполнять качественные транзисторы, обеспечивающие стабильную работу электроприборов и блоков питания.

Основные характеристики

Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции. К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:

  • Максимально допустимый ток.
  • Показатель управляющего напряжения.
  • Внутреннее сопротивление.
  • Период задержки подключения и выключения.
  • Паразитная индуктивность.
  • Входная и выходная емкость.
  • Напряжение насыщения у эмиттера и коллектора.
  • Ток отсечки эмиттера.
  • Напряжение пробоя коллектора и эмиттера.

Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности. В регуляторах скорости применяются IGBT с частотой в десятки тысяч кГц, что позволяет обеспечить максимально возможную точность работы приборов.

Преимущества и недостатки

Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик. Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами, характеристиками и многочисленными преимуществами:

  • Возможность эксплуатации с высокой мощностью и повышенным напряжением.
  • Работа при высокой температуре.
  • Минимальные потери тока в открытом виде.
  • Устойчивость к короткому замыканию.
  • Повышенная плотность.
  • Практически полное отсутствие потерь.
  • Простая параллельная схема.

К недостаткам IGBT относят их высокую стоимость, что приводит к некоторому увеличению расходов на изготовление электроприборов и мощных блоков питания. При планировании схемы подключения с транзисторами этого типа необходимо учитывать имеющиеся ограничения по показателю максимально допустимого тока. Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:

  • Использование обходного пути коммутации.
  • Выбор сопротивления затвора.
  • Правильный подбор показателей тока защиты.

Электросхемы устройств должны разрабатывать исключительно профессионалы, что позволит обеспечить правильность работы техники, отсутствие коротких замыканий и других проблем с электроприборами. При наличии качественной схемы подключения, реализовать ее не составит труда, выполнив своими руками силовой блок, питание и различные устройства.

Устройство и принцип работы

Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

  • К — коллектор.
  • Э — эмиттер.
  • З — затвор.

Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.

Основным назначением IGBT транзисторов является их приближение к безопасному значению токов замыкания. Такие токи могут ограничивать напряжение затвора различными методами.

Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.

Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.

В цепь может включаться эмиттер с отрицательной обратной связью. Подобное возможно в тех случаях, когда драйвер затвора подключён к клеммам модуля.

Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов. Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.

Сфера использования

Сегодня IGBT транзисторы применяются в сетях с показателем напряжения до 6,5 кВт, обеспечивая при этом безопасную и надежную работу электрооборудования. Имеется возможность использования инвертора, частотно регулируемых приводов, сварочных аппаратов и импульсных регуляторов тока.

Сверхмощные разновидности IGBT используются в мощных приводах управления троллейбусов и электровозов. Их применение позволяет повысить КПД, обеспечив максимально возможную плавность хода техники, оперативно управляя выходом электродвигателей на их полную мощность. Силовые транзисторы применяются в цепях с высоким напряжением. Они используются в схемах бытовых кондиционеров, посудомоечных машин, блоков питания в телекоммуникационном оборудовании и в автомобильном зажигании.

Проверка исправности

Ревизия и тестирование IGBT полупроводников выполняется при наличии неисправностей электрических устройств. Такую проверку проводят с использованием мультитестера, прозванивая коллекторы и электроды с эмиттером в двух направлениях. Это позволит установить работоспособность транзистора и исключит отсутствие замыкания. При проверке необходимо отрицательно зарядить вход затвора, используя щупы мультиметров типа COM .

Для проверки правильности работы транзистора на входе и выходе затвора заряжают ёмкость положительным полюсом. Выполняется такая зарядка за счёт кратковременного касания щупом затвора, после чего проверяется разность потенциала коллектора и эмиттера. Данные потенциалов не должны иметь расхождение более 1,5 Вольта. Если тестируется мощный IGBT, а тестера не будет хватать для положительного заряда, на затвор подают напряжение питания до 15 Вольт.

Мощные модули

Силовые транзисторы изготавливаются не только отдельными полупроводниками, но и уже собранными готовыми к использованию модулями. Такие приспособления входят в состав мощных частотных преобразователей в управлении электромоторами. В каждом конкретном случае схема и принцип работы модуля будут различаться в зависимости от его типа и предназначения. Чаще всего в таких устройствах используется мост, выполненный на основе двух силовых транзисторов.

Стабильная работа IGBT обеспечивается при частоте 150 килогерц. При повышении рабочей частоты могут увеличиваться потери, что отрицательно сказывается на стабильности электроприборов. Силовые транзисторы все свои преимущества и возможности проявляют при использовании с напряжением более 400 Вольт. Поэтому такие полупроводники чаще всего применяют в промышленном оборудовании и электроприборах высокого напряжения.

Что такое IGBT — работа, работа, приложения и различные типы IGBT

Самыми популярными и часто используемыми силовыми электронными переключателями являются биполярный транзистор BJT и полевой МОП-транзистор. Мы уже подробно обсудили работу BJT и MOSFET, а также то, как они используются в схемах. Но у обоих этих компонентов были некоторые ограничения для использования в приложениях с очень высоким током. Итак, мы переместили еще одно популярное силовое электронное коммутационное устройство под названием IGBT.Вы можете думать о IGBT как о слиянии BJT и MOSFET, эти компоненты имеют входные характеристики BJT и выходные характеристики MOSFET. В этой статье мы познакомимся с основами IGBT , с тем, как они работают и как использовать их в схемах.

Что такое IGBT?

IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором . Это трехконтактное полупроводниковое переключающее устройство, которое можно использовать для быстрого переключения с высокой эффективностью во многих типах электронных устройств.Эти устройства в основном используются в усилителях для переключения / обработки сложных волновых паттернов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Типичный символ IGBT вместе с его изображением показан ниже.

Как упоминалось ранее, IGBT представляет собой смесь BJT и MOSFET. Символ IGBT также представляет то же самое, поскольку вы можете видеть, что сторона входа представляет собой полевой МОП-транзистор с выводом затвора, а сторона вывода представляет собой BJT с коллектором и эмиттером.Коллектор и Эмиттер являются выводами проводимости, а затвор — это контрольный вывод , с помощью которого осуществляется управление операцией переключения.

Внутренняя структура IGBT IGBT

может быть сконструирован с эквивалентной схемой, состоящей из двух транзисторов и MOSFET, поскольку IGBT обладает выходом из указанной ниже комбинации транзистора PNP, транзистора NPN и MOSFET. БТИЗ сочетает в себе низкое напряжение насыщения транзистора с высоким входным сопротивлением и скоростью переключения полевого МОП-транзистора. Результат, полученный в результате этой комбинации, обеспечивает характеристики переключения и проводимости биполярного транзистора, но напряжение регулируется как полевой МОП-транзистор.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и BJT, они также называются разными именами. различных имен IGBT — это транзистор с изолированным затвором (IGT), транзистор с изолированным затвором и оксидом металла (MOSIGT), полевой транзистор с модулированным усилением (GEMFET), полевой транзистор с кондуктивной модуляцией (COMFET).

Работа IGBT

IGBT имеет три вывода, прикрепленных к трем различным металлическим слоям, металлический слой вывода затвора изолирован от полупроводников слоем диоксида кремния (SIO2). IGBT состоит из 4 слоев полупроводника, соединенных между собой. Слой ближе к коллектору — это слой подложки p + , выше, это слой n- , еще один p-слой находится ближе к эмиттеру, а внутри p-слоя у нас есть n + слоев . Соединение между слоем p + и n-слоем называется соединением J2, а соединение между n-слоем и слоем p называется соединением J1. Структура IGBT показана на рисунке ниже.

Чтобы понять, как работает IGBT , рассмотрим источник напряжения V G , подключенный к клемме затвора по отношению к эмиттеру. Рассмотрим другой источник напряжения V CC , подключенный между эмиттером и коллектором, где коллектор остается положительным по отношению к эмиттеру.Благодаря источнику напряжения V CC переход J1 будет смещен в прямом направлении, тогда как переход J2 будет смещен в обратном направлении. Поскольку J2 имеет обратное смещение, ток не будет протекать внутри IGBT (от коллектора к эмиттеру).

Сначала учтите, что на клемму Gate не подается напряжение, на этом этапе IGBT будет в непроводящем состоянии. Теперь, если мы увеличим приложенное напряжение затвора, из-за эффекта емкости на слое SiO2 отрицательные ионы будут накапливаться на верхней стороне слоя, а положительные ионы будут накапливаться на нижней стороне слоя SiO2. Это вызовет введение отрицательно заряженных носителей заряда в p-область, чем выше приложенное напряжение V G , тем больше будет вставка отрицательно заряженных носителей. Это приведет к образованию канала между переходом J2, который позволяет протеканию тока от коллектора к эмиттеру . Прохождение тока представлено как путь тока на рисунке, когда прикладываемое напряжение затвора V G увеличивается, величина тока, протекающего от коллектора к эмиттеру, также увеличивается.

Типы IGBT

IGBT классифицируется как два типа на основе буферного слоя n +, IGBT, которые имеют буферный слой n +, называются Punch through IGBT (PT-IGBT) , IGBT, которые не имеют буферного слоя n +, называются без пробивки на сквозной IGBT (NPT-IGBT).

Исходя из своих характеристик, NPT-IGBT и PT-IGBT называются симметричными и несимметричными IGBT. Симметричные IGBT — это те, которые имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя.Асимметричные IGBT — это те, у которых напряжение обратного пробоя меньше, чем напряжение прямого пробоя. Симметричные IGBT в основном используются в цепях переменного тока, тогда как асимметричные IGBT в основном используются в цепях постоянного тока, поскольку им не нужно поддерживать напряжение в обратном направлении.

Разница между пробивкой через IGBT (PT-IGBT) и без пробивки через IGBT (NPT-IGBT)

Пробивка через IGBT (PT-IGBT)

Без дырокола — IGBT (NPT — IGBT)

Они менее устойчивы к режимам короткого замыкания и имеют меньшую термическую стабильность.

Они более надежны при отказе от короткого замыкания и обладают большей термостойкостью.

Коллектор представляет собой сильно легированный слой P +

Коллектор представляет собой слаболегированный P-слой.

Он имеет небольшой положительный температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии, поэтому параллельная работа требует большой осторожности и внимания.

Температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии строго положительный, поэтому параллельная работа проста.

Потери при выключении более чувствительны к температуре, поэтому они значительно возрастают при более высокой температуре.

Потеря отключения менее чувствительна к температуре, поэтому она остается неизменной с температурой.

Работа IGBT как цепи

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию BJT и MOSFET, давайте рассмотрим их работу в виде принципиальной схемы. На приведенной ниже диаграмме показана внутренняя схема IGBT , которая включает в себя два BJT, один MOSFET и JFET. Контакты затвора, коллектора и эмиттера IGBT отмечены ниже.

Коллектор транзистора PNP соединен с транзистором NPN через JFET, JFET соединяет коллектор транзистора PNP и базу транзистора PNP.Эти транзисторы скомпонованы таким образом, чтобы образовать паразитный тиристор, созданный для создания контура отрицательной обратной связи . Резистор RB помещается так, чтобы закоротить выводы базы и эмиттера NPN-транзистора, чтобы гарантировать, что тиристор не защелкивается, что приводит к защелкиванию IGBT. Используемый здесь JFET будет обозначать структуру тока между любыми двумя ячейками IGBT, позволяет использовать MOSFET и поддерживает большую часть напряжения.

Характеристики переключения IGBT

IGBT — это устройство , управляемое напряжением, , поэтому ему требуется только небольшое напряжение на затвор, чтобы оставаться в состоянии проводимости. А поскольку это однонаправленные устройства, они могут переключать ток только в прямом направлении, то есть от коллектора к эмиттеру. Типичная схема переключения IGBT показана ниже, напряжение затвора V G прикладывается к штырю затвора для переключения двигателя (M) с напряжения питания V +. Резистор Rs примерно используется для ограничения тока через двигатель.

Входные характеристики IGBT можно понять из приведенного ниже графика. Первоначально, когда на вывод затвора не подается напряжение, IGBT находится в выключенном состоянии, и ток не течет через вывод коллектора.Когда напряжение, приложенное к выводу затвора, превышает пороговое напряжение , IGBT начинает проводить, и ток коллектора I G начинает течь между выводами коллектора и эмиттера. Ток коллектора увеличивается относительно напряжения затвора, как показано на графике ниже.

Выходные характеристики IGBT имеют три ступени. Первоначально, когда напряжение затвора V GE равно нулю, устройство находится в выключенном состоянии, это называется областью отсечки .Когда V GE увеличивается и если оно меньше порогового напряжения , то через устройство будет протекать небольшой ток утечки, но устройство все равно будет находиться в области отсечки. Когда напряжение V GE превышает пороговое значение, устройство переходит в активную область , и ток начинает течь через устройство. Протекание тока будет увеличиваться с увеличением напряжения V GE , как показано на графике выше.

Приложения IGBT БТИЗ

используются в различных приложениях, таких как приводы двигателей переменного и постоянного тока, нерегулируемые источники питания (ИБП), импульсные источники питания (SMPS), управление тяговыми двигателями и индукционный нагрев, инверторы, используемые для объединения полевых транзисторов с изолированным затвором для управления вход и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве и т. д.

Пакеты IGBT

ГБТ доступны в разных типах пакетов с разными названиями от разных компаний.Например, Infineon Technologies предлагает пакеты для сквозного монтажа и для поверхностного монтажа. Пакет сквозного типа включает ТО-262, ТО-251, ТО-273, ТО-274, ТО-220, ТО-220-3 FP, ТО-247, ТО-247AD. В комплект для поверхностного монтажа входят ТО-263, ТО-252.

IGBT-транзистор

— основы, характеристики, схема переключения и приложения

IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором , комбинация биполярного транзистора (BJT) и Металлооксидный полевой транзистор (MOS-FET) .Это полупроводниковое устройство, используемое для переключения связанных приложений.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию полевого МОП-транзистора и транзистора , он имеет преимущества обоих транзисторов и полевого МОП-транзистора. MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а с другой стороны, BJT имеет преимущество в высоком усилении и низком напряжении насыщения, оба присутствуют в транзисторе IGBT. IGBT — это полупроводник с регулируемым напряжением , который обеспечивает большие токи коллектора-эмиттера с почти нулевым током затвора.

Как уже говорилось, IGBT имеет преимущества как MOSFET, так и BJT, IGBT имеет такой же изолированный затвор, как и типичные MOSFET, и такие же выходные характеристики передачи. Хотя BJT является устройством с управлением по току, но для IGBT управление зависит от MOSFET, поэтому это устройство с управлением напряжением, эквивалентное стандартным MOSFET.

Эквивалентная схема

IGBT и символ

На изображении выше показана эквивалентная схема IGBT.Такая же структура схемы используется в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены одинаковым образом. Как мы можем видеть на изображении выше, IGBT объединяет два устройства, N-канальный MOSFET и PNP-транзистор . N-канальный MOSFET управляет PNP-транзистором. Выводы стандартного BJT включают коллектор, эмиттер, базу, а стандартный вывод MOSFET включает затвор, сток и исток. Но в случае контактов IGBT транзистора , это Gate , который поступает от N-канального MOSFET, а Collector и Emitter исходят от PNP-транзистора.

В транзисторе PNP коллектор и эмиттер являются проводящими путями, а когда IGBT включен, они проходят и пропускают через него ток. Этот путь контролируется N-канальным MOSFET.

В случае BJT, , мы вычисляем коэффициент усиления, который обозначается как Beta ( ), путем деления выходного тока на входной.

  β = выходной ток / входной ток  

Но, как мы знаем, полевой МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор полевого МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета усиления BJT, не применима для технологии MOSFET. Затвор полевого МОП-транзистора изолирован от пути прохождения тока. Напряжение затвора полевого МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой отношение изменений выходного напряжения к изменениям входного напряжения. Это верно для IGBT. Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменений выходного тока к изменениям входного напряжения затвора .

Из-за возможности высокого тока высокий ток BJT контролируется напряжением затвора MOSFET.

На приведенном выше изображении показан символ IGBT . Как мы видим, символ включает в себя коллектор-эмиттерную часть транзистора и затворную часть полевого МОП-транзистора. Три терминала показаны как Gate, коллектор и эмиттер.

В проводящем или включенном режиме « ON » ток течет от коллектора к эмиттеру . То же самое происходит с транзистором BJT. Но в случае с IGBT вместо базы стоит Gate.Разница между напряжением затвора и эмиттера называется Vge , а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .

Ток эмиттера (Ie) почти такой же, как ток коллектора (Ic) , Ie = Ic . Поскольку ток в коллекторе и эмиттере относительно одинаков, у Vce очень низкий ток.

Узнайте больше о BJT и MOSFET здесь.

Приложения IGBT:

IGBT в основном используется в приложениях, связанных с питанием.Стандартные силовые BJT имеют очень медленный отклик, тогда как MOSFET подходит для приложений с быстрым переключением, но MOSFET — дорогостоящий выбор там, где требуется более высокий номинальный ток. IGBT подходит для замены силовых BJT и силовых MOSFET .

Кроме того, IGBT предлагает более низкое сопротивление включения по сравнению с BJT, и благодаря этому свойству IGBT является термически эффективным в приложениях, связанных с высокой мощностью.

IGBT широко применяются в области электроники.Из-за низкого сопротивления , очень высокого номинального тока, высокой скорости переключения, привода с нулевым затвором, IGBT используются в системах управления двигателями большой мощности, инверторах, импульсных источниках питания с областями высокочастотного преобразования.

На приведенном выше изображении показано базовое приложение переключения, использующее IGBT. RL представляет собой резистивную нагрузку, подключенную через эмиттер IGBT к земле. Разность напряжений на нагрузке обозначается как VRL . Нагрузка также может быть индуктивной.А справа показана другая схема. Нагрузка подключается через коллектор, а резистор для токовой защиты подключен к эмиттеру. В обоих случаях ток будет течь от коллектора к эмиттеру.

В случае BJT нам необходимо обеспечить постоянный ток через базу BJT. Но в случае IGBT, как и MOSFET, нам необходимо обеспечить постоянное напряжение на затворе, и насыщение поддерживается в постоянном состоянии.

В левом случае разность напряжений, VIN , которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей / VSS, управляет выходным током, протекающим от коллектора к эмиттеру.Разница напряжений между VCC и GND практически одинакова на нагрузке.

В правой цепи ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS .

  I  RL2  = V  IN  / R  S   

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) может быть переключен на « ВКЛ. » и « ВЫКЛ. » путем активации затвора. Если мы сделаем затвор более положительным, подав напряжение на затвор, эмиттер IGBT будет поддерживать IGBT в состоянии « ON », и если мы сделаем затвор отрицательным или нулевым нажатием, IGBT останется в состоянии « OFF ».Это то же самое, что и переключение BJT и MOSFET.

Кривая I-V IGBT и передаточные характеристики

На приведенном выше изображении показаны ВАХ в зависимости от другого напряжения затвора или Вge . Ось X обозначает напряжение коллектор-эмиттер или Vce , а ось Y обозначает ток коллектора . В выключенном состоянии ток, протекающий через коллектор и напряжение затвора, составляет ноль .Когда мы меняем Vge или напряжение затвора, устройство переходит в активную область. Стабильное и постоянное напряжение на затворе обеспечивает непрерывный и стабильный ток через коллектор. Увеличение на Vge пропорционально увеличивает ток коллектора, Vge3> Vge2> Vge3 . BV — напряжение пробоя IGBT.

Эта кривая почти идентична кривой передачи I-V BJT, но здесь показано Vge , потому что IGBT — это устройство, управляемое напряжением.

На изображении выше показана передаточная характеристика IGBT. Он практически идентичен PMOSFET . IGBT перейдет в состояние « ON » после того, как Vge превысит пороговое значение в зависимости от спецификации IGBT.

Вот сравнительная таблица, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT и POWER BJT и Power MOSFET .

Характеристики устройства

IGBT

Силовой полевой МОП-транзистор

POWER BJT

Номинальное напряжение

Более 1 кВ (очень высокое)

Менее 1 кВ (высокое)

Менее 1 кВ (высокое)

Текущий рейтинг

Более 500 А (высокий)

Менее 200 А (высокий)

Менее 500 А (высокий)

Устройство ввода

Напряжение, Вге, 4-8В

Напряжение, Вгс, 3-10В

Ток, hfe, 20-200

Входное сопротивление

Высокая

Высокая

Низкая

Выходное сопротивление

Низкая

Среднее

Низкая

Скорость переключения

Среднее

Быстро (нС)

Медленно (США)

Стоимость

ВЫСОКИЙ

Среднее

Низкая

В следующем видео мы увидим схему переключения транзистора IGBT .

IGBT: часто задаваемые вопросы (FAQ)

Компании начинают осознавать потенциал новых рынков и возможности получения доходов от переработки, поскольку они исследуют более комплексную модель «кремний для обслуживания», которая охватывает центр обработки данных и мобильную периферию. В частности, с сокращением ASP (средние цены продажи) и все более непомерно высокими затратами на проектирование на все более низких узлах многие компании ищут новые источники дохода в широком диапазоне вертикалей, включая Интернет вещей (IoT).

Однако с учетом того, что количество установок Интернета вещей, как ожидается, будет увеличиваться примерно на 15–20% ежегодно до 2020 года, безопасность в настоящее время воспринимается как серьезная возможность, так и серьезная проблема для полупроводниковой промышленности.

Помимо услуг, концепция оборудования с открытым исходным кодом (OSH) и построения микросхем из разукрупненных, предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты, поскольку компании стремятся сократить расходы и сократить время вывода на рынок гетерогенных конструкций.

Конкретные стратегии раскрытия всего потенциала кремния и услуг, несомненно, будут различаться, поэтому для нас важно исследовать будущее, в котором полупроводниковые компании, а также различные отрасли, организации и правительственные учреждения будут играть открытую и совместную роль в помогая устойчиво монетизировать как микросхемы, так и услуги.

В 2016 и 2017 годах продолжались быстрые приобретения и консолидация отрасли:

  • Компания Analog Devices приобрела Linear Technology
  • Infineon приобретает International Rectifier
  • Компания ROHM приобрела Powervation
  • Renesas приобрела Intersil

Крупные производители полупроводников позиционируют себя, чтобы лучше конкурировать в нескольких вертикалях, включая облачные вычисления, искусственный интеллект (AI) и беспилотные автомобили.Согласно KPMG, многие компании все чаще рассматривают слияния и поглощения (M&A) как единственный способ стимулировать рост реальной выручки, делая новый акцент на вопросе «производить или покупать», при этом многие выбирают ответ «покупать».

В то же время расходы на разработку микросхем продолжали расти и существенно влияли на количество разработок в усовершенствованных узлах. В частности, общее количество запусков SoC Advanced Performance Multicore в первый раз было примерно одинаковым и лишь незначительно увеличилось за последние пять лет.Хотя цены на дизайн неуклонно растут с 40 нм, аналитиков больше всего беспокоит увеличение затрат на дизайн на 7 и 5 нм.

Рич Вавжиняк, старший аналитик Semico Research, подтверждает, что начало проектирования, превышающее 10 нм, будет сдерживаться ростом затрат на разработку. Хотя общее количество проектов, которые переносятся на новые узлы, может не сильно отличаться от предыдущих обновлений геометрии процессов, Вавжиняк говорит, что сроки для таких переходов большинством компаний будут более продолжительными.

Совершенно очевидно, что необходимы новые модели как для НИОКР, так и для доходов, поскольку усиление консолидации отрасли и ослабление АСП являются неустойчивыми в долгосрочной перспективе. Именно поэтому отрасль стремится к Интернету вещей для создания дополнительных потоков доходов, и аналитики McKinsey Global Institute (MGI) оценивают, что IoT может иметь ежегодный экономический эффект от 3,9 до 11,1 триллиона долларов к 2025 году по множеству вертикалей. Однако с учетом того, что количество установок Интернета вещей, как ожидается, будет увеличиваться примерно на 15–20% в год до 2020 года, безопасность считается как серьезной возможностью, так и проблемой для полупроводниковых компаний.

Таким образом, MGI рекомендует создавать решения безопасности, которые позволяют компаниям, производящим полупроводники, расширяться в смежные области бизнеса и разрабатывать новые бизнес-модели. Например, компании могут помочь создать предложения по комплексной безопасности, которые необходимы для успеха Интернета вещей. В идеале, считает MGI, отрасль должна играть ведущую роль при разработке таких предложений, чтобы гарантировать, что они получат свою справедливую долю в цепочке создания стоимости.

С нашей точки зрения, решения для сквозной безопасности Интернета вещей, развернутые как платформа как услуга (PaaS), имеют решающее значение для помощи полупроводниковым компаниям в получении возобновляемых доходов от реализации конкретных услуг.Для клиентов PaaS предлагает простой способ безопасной разработки, запуска и управления приложениями и устройствами без сложностей, связанных с построением и обслуживанием сложной инфраструктуры.

Такие решения безопасности, которые также могут использовать аппаратный корень доверия, должны поддерживать идентификацию устройства и взаимную аутентификацию (проверку), стандартные проверки аттестации, безопасные обновления устройств по беспроводной сети (OTA), аварийное восстановление и ключ управление, а также вывод из эксплуатации и переназначение ключей для лучшего управления устройствами и предотвращения различных атак, включая распределенный отказ в обслуживании (DDoS).

Умные города

Недоступные микросхемы — такие как микросхемы, встроенные в инфраструктуру интеллектуального города Интернета вещей — могут предложить полупроводниковым компаниям возможность реализовать долгосрочную модель PaaS «кремний для обслуживания». Действительно, будущая инфраструктура умного города почти наверняка будет спроектирована с использованием микросхем в труднодоступных местах, включая подземные водопроводные трубы, каналы для кондиционирования воздуха, а также под улицами и на парковках.

Интеллектуальное уличное освещение, отзывчивые вывески и маячки Bluetooth нового поколения также требуют перспективных решений, чтобы избежать постоянного физического обслуживания и обновлений.Следовательно, микросхема, обеспечивающая питание инфраструктуры умного города, должна поддерживать безопасную конфигурацию функций в полевых условиях, а также различные услуги на основе PaaS, такие как расширенная аналитика, предупреждения о профилактическом обслуживании, алгоритмы самообучения и интеллектуальное проактивное взаимодействие с клиентами.

Умные дома

Прогнозируется, что к 2020 году глобальный рынок умного дома достигнет стоимости не менее 40 миллиардов долларов. По данным Markets and Markets, рост пространства умного дома можно объяснить множеством факторов, в том числе значительными достижениями в секторе Интернета вещей; возрастающие требования к удобству, безопасности и защищенности потребителей; более выраженная потребность в энергосберегающих решениях с низким уровнем выбросов углерода. Однако, как мы уже обсуждали ранее, крайне важно обеспечить реализацию безопасности Интернета вещей на этапе проектирования продукта, чтобы предотвратить использование злоумышленниками устройств умного дома и прерывание обслуживания.

В дополнение к потенциально прибыльным возможностям кибербезопасности для компаний, производящих полупроводники, устройства «умный дом» обещают создать повторяющиеся потоки доходов для поддержки устойчивой модели «кремний для обслуживания». В качестве примера Кристопер Дин из MarketingInsider выделяет популярные устройства Echo от Amazon.Поскольку уже продано не менее 15 миллионов Echo, пользователи Echo, скорее всего, станут активными потребителями Amazon, используя устройство для отслеживания списков желаний и поиска товаров, которые им впоследствии предлагается купить. Между тем, Nest использует данные термостата в качестве платформы для предложения услуг по управлению энергопотреблением коммунальным компаниям в США, при этом компании платят за значимую и действенную информацию о клиентах по подписке.

Автомобильная промышленность

По данным IC Insights, в период с 2016 по 2021 год продажи микросхем для автомобильных систем и Интернета вещей будут расти на 70% быстрее, чем общие доходы от IC.В частности, продажи интегральных схем для автомобилей и других транспортных средств, по прогнозам, вырастут с 22,9 млрд долларов в 2016 году до 42,9 млрд долларов в 2021 году, а доходы от функциональности Интернета вещей увеличатся с 18,4 млрд долларов в 2016 году до 34,2 млрд долларов в 2021 году.

Прогнозируемый рост продаж автомобильных микросхем неудивителен, поскольку современные автомобили по сути представляют собой сеть сетей, оснащенную рядом встроенных методов и возможностей связи. Однако это означает, что автомобили теперь более уязвимы для кибератак, чем когда-либо прежде.

Потенциальные уязвимости системы безопасности включают незащищенную связь между транспортными средствами, несанкционированный сбор информации о водителе или пассажирах, захват контроля над критически важными системами, такими как тормоза или акселераторы, перехват данных транспортного средства, вмешательство в работу сторонних ключей и изменение избыточного кода. обновления прошивки по воздуху (OTA). Что касается последнего, производители автомобилей сейчас сосредоточены на предоставлении безопасных OTA-обновлений для различных систем, при этом глобальный рынок автомобильных OTA-обновлений, по прогнозам, будет расти со среднегодовым темпом роста 18.2% с 2017 по 2022 год и достигнет 3,89 миллиарда долларов к 2022 году.

Производители автомобилей также работают над тем, чтобы в цепочке поставок транспортных средств не было украденных и поддельных компонентов. Тем не менее, широкий спектр устройств с серого рынка все еще можно найти для питания дорогостоящих модулей, таких как бортовые информационно-развлекательные системы и фары, а также в критически важных системах безопасности, включая модули подушек безопасности, тормозные модули и органы управления трансмиссией. Таким образом, защита периферийных устройств и компонентов транспортных средств от несанкционированного доступа за счет реализации ряда многоуровневых аппаратных и программных решений безопасности стала приоритетной задачей для ряда производителей автомобилей.

Помимо внедрения многоуровневых решений безопасности, полупроводниковая промышленность явно выиграет от внедрения подхода IoT «как услуга» в автомобильном секторе. Например, компании могут развернуть сенсорные автомобильные системы, которые заранее обнаруживают потенциальные проблемы и неисправности. Это решение, которое в наиболее оптимальной конфигурации сочетает в себе микросхемы и услуги, может быть продано как аппаратный и программный продукт или развернуто как услуга с ежемесячной или ежегодной абонентской платой.

Медицина и здравоохранение

Имплантированные медицинские устройства с длительным сроком службы, несомненно, потребуют от полупроводниковой промышленности высокой степени готовности к будущему, чтобы избежать частых физических обновлений и технического обслуживания. Срихари Яманур, специалист по дизайну в области исследований и разработок в Stellartech Research Corp., отмечает, что медицинские устройства в конечном итоге будут адаптированы для удовлетворения потребностей отдельных пациентов, что расширит применение точной медицины.

Кроме того, ожидается, что отрасль медицинского страхования будет использовать машинное обучение для оптимизации и снижения стоимости медицинского обслуживания, в то время как цифровые медицинские устройства также будут использоваться страховой отраслью для выявления пациентов из группы риска и оказания помощи.Поэтому медицинские устройства, особенно имплантируемые модели, должны быть спроектированы таким образом, чтобы поддерживать «модель перехода от кремния к услугам» через конфигурацию функций на месте и безопасные обновления OTA, а также услуги на основе PaaS, включая сбор и анализ соответствующих данных; проактивное обслуживание, продвинутые алгоритмы; и интуитивно понятный интерфейс как для пациентов, так и для врачей.

Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом и дезагрегированные чиплеты

Наряду с услугами, оборудование с открытым исходным кодом, предлагаемое такими организациями и компаниями, как RISC-V и SiFive, начало положительно влиять на индустрию полупроводников, поощряя инновации, сокращая затраты на разработку и ускоряя вывод продукта на рынок.

Успех программного обеспечения с открытым исходным кодом — в отличие от закрытого, огороженного сада — продолжает создавать важный прецедент для полупроводниковой промышленности. Столкнувшись с непомерно высокими затратами на разработку, ряд компаний предпочитают избегать ненужных сборщиков дорожных сборов, уделяя больше внимания архитектуре с открытым исходным кодом, поскольку они работают над созданием новых потоков доходов, ориентированных на услуги.

Помимо аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом, концепция построения кремния из предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты, поскольку полупроводниковая промышленность движется к снижению затрат и сокращению времени вывода на рынок гетерогенных конструкций.По словам Анны Стефоры Мутшлер из Semiconductor Engineering, концепция чиплета некоторое время находилась в стадии разработки, хотя исторически она воспринималась как потенциальное направление будущего, а не реальное решение в тени убывающего закона Мура. Это восприятие начинает меняться по мере увеличения сложности конструкции, особенно в усовершенствованных узлах (10/7 нм), а также по мере объединения новых рынков, требующих частично настраиваемых решений.

Концепция предварительно проверенных чиплетов вызвала интерес U.Агентство перспективных исследовательских проектов S. Defense (DARPA), которое недавно развернуло свою программу общей гетерогенной интеграции и стратегий повторного использования IP (CHIPS). В сотрудничестве с полупроводниковой промышленностью успешная реализация CHIPS позволила бы увидеть ряд IP-блоков, подсистем и микросхем, объединенных на переходнике в корпусе, подобном 2.5D.

Инициатива CHIPS заняла центральное место в августе 2017 года, когда участники из военного, коммерческого и академического секторов собрались в штаб-квартире DARPA на официальном стартовом совещании по программе Агентства по стратегии общей гетерогенной интеграции и повторного использования интеллектуальной собственности (ИС).

Как сообщил на конференции д-р Дэниел Грин из DARPA, программа направлена ​​на разработку новой технологической структуры, в которой различные функции и блоки интеллектуальной собственности, в том числе хранение данных, вычисления, обработка сигналов, а также управление формой и потоком данных — можно разделить на небольшие чиплеты. Затем их можно смешивать, сопоставлять и комбинировать на промежуточном элементе, что-то вроде соединения частей головоломки. Фактически, говорит Грин, вся обычная печатная плата с множеством различных, но полноразмерных микросхем в конечном итоге может быть уменьшена до гораздо меньшего промежуточного устройства, содержащего кучу гораздо меньших микросхем.

Согласно DARPA, конкретные технологии, которые могут возникнуть в результате инициативы CHIPS, включают компактную замену целых печатных плат, сверхширокополосные радиочастотные (РЧ) системы и системы быстрого обучения для извлечения интересной и действенной информации из гораздо больших объемов обычных данных. .

Возможно, неудивительно, что полупроводниковая промышленность уже рассматривает дезагрегированный подход в форме микросхем SerDes и специализированных маломощных интерфейсов «кристалл-кристалл» для конкретных приложений.Безусловно, жизнеспособное разделение кремниевых компонентов может быть достигнуто путем перемещения высокоскоростных интерфейсов, таких как SerDes, на отдельные кристаллы в виде чиплетов SerDes, смещения IP аналогового датчика на отдельные аналоговые микросхемы и реализации перехода кристалла с очень низким энергопотреблением и малой задержкой. die интерфейсы через MCM или через переходник с использованием технологии 2.5D.

Помимо использования заведомо исправной матрицы для SerDes в более зрелых узлах (N-1) или наоборот, ожидается, что дезагрегация упростит создание нескольких SKU при оптимизации затрат и снижении риска.Точнее, дезагрегирование приведет к разбивке SoC на более высокопроизводительные и меньшие матрицы, что позволит компаниям создавать определенные конструкции с несколькими вариантами. Действительно, интерфейсы «от кристалла к кристаллу» могут более легко адаптироваться к различным приложениям в области памяти, логики и аналоговых технологий. Кроме того, интерфейсы «от кристалла к кристаллу» не требуют соответствующей скорости линии / передачи и количества полос, в то время как FEC может потребоваться, а может и не потребоваться в зависимости от требований к задержке.

Следует отметить, что несколько компаний активно занимаются агрегацией SoC / ASIC для коммутаторов и других систем.Точно так же полупроводниковая промышленность разрабатывает ASIC с интерфейсами «кристалл-кристалл» на ведущих узлах FinFET, в то время как по крайней мере один серверный чип следующего поколения разрабатывается с дезагрегированным вводом-выводом на отдельном кристалле.

Заключение

За последние пять лет полупроводниковая промышленность столкнулась с множеством сложных проблем. К ним относятся увеличение затрат на разработку, размытие ASP, насыщение рынка и повышенная, но неустойчивая деятельность по слияниям и поглощениям. В течение 2018 года полупроводниковая промышленность продолжает стремиться к возвращению к стабильности и органическому росту в рамках параметров новой бизнес-парадигмы, одновременно жизнеспособной и основанной на сотрудничестве.В этом контексте компании, производящие полупроводники, осознают потенциал новых рынков и возможности получения доходов от переработки, поскольку они исследуют более комплексную модель «кремний — услуги», которая охватывает центр обработки данных и мобильный терминал.

Сюда входят решения для сквозной безопасности IoT и услуги на основе PaaS, такие как конфигурация функций на месте, расширенная аналитика, предупреждения о профилактическом обслуживании, алгоритмы самообучения и интеллектуальное проактивное взаимодействие с клиентами. Помимо услуг, концепция оборудования с открытым исходным кодом и создание микросхем из разукрупненных, предварительно проверенных микросхем начинает набирать обороты, поскольку компании переходят к сокращению затрат и сокращению времени вывода на рынок гетерогенных конструкций.

Конкретные стратегии раскрытия всего потенциала полупроводников, несомненно, будут различаться, поэтому для нас важно исследовать будущее, в котором отрасль, наряду с различными исследовательскими организациями и государственными учреждениями, будет играть открытую и совместную роль в содействии устойчивой монетизации и кремний, и сервисы.

Для получения дополнительной информации по этой теме посетите сайт Rambus.

Шрикант Лохокаре, доктор философии, является вице-президентом и исполнительным директором Global Semiconductor Alliance в Северной Америке.

Учебное пособие по схемам IGBT биполярного транзистора с изолированным затвором


Рис. 1

by Lewis Loflin

Недавно я обнаружил преимущества использования биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) по сравнению с MOSFET. На самом деле у меня было несколько дней, оставшихся после ремонта плазменного резака, и я решил их использовать. Это особенно верно при использовании с оптопарами для фотоэлектрических МОП-транзисторов, таких как VOM1271.

Процитируем два источника о преимуществах IGBT:

По сравнению с IGBT, силовой MOSFET имеет преимущества более высокой скорости коммутации и большей эффективности при работе при низких напряжениях…. IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, присущие полевому МОП-транзистору, с высокими токами и низким напряжением насыщения биполярного транзистора.

А:

Основными преимуществами использования биполярного транзистора с изолированным затвором по сравнению с другими типами транзисторных устройств являются его высокое напряжение, низкое сопротивление в открытом состоянии, простота управления, относительно быстрая скорость переключения и в сочетании с нулевым током возбуждения, что делает его хорошим выбором для умеренных скорость, приложения высокого напряжения…

Рис. 1 Основная теория построения IGBT в виде N-канального MOSFET и PNP-транзистора.


Рис. 2a

IXGh35N100 — это те, которые я использовал в своих тестовых схемах. Мои были извлечены из инверторной платы плазменного резака, о которой я расскажу ниже.

Помимо возможности высокого напряжения, некоторые из них имеют «максимальный номинальный ток коллектора Ic (max), превышающий 100A».

Символ IGBT находится слева.

В IXGh35N100 нет внутренних диодов маховика.


Рис. 2b

На рис. 2b показан БТИЗ с внутренними диодами маховика. FGA25N120 рассчитан на 1200 В, 25 А. Напряжение C-E sat при 25 А составляет 2,0 В.

Важным фактором является напряжение насыщения коллектор-эмиттер. В цепях индукционного нагрева используются следующие элементы.

FGPF4633 рассчитан на 330 В и V C-E 1,55 В при 70 А.

IHW20N120R3 1200 В 20 А 1,48 В.


Рис. 3

Пример схемы инвертора IGBT от 12 В до 120 В переменного тока.


Фиг.4

Инверторные аппараты плазменной резки

Раньше ремонтировал портативные плазменные резаки этого типа. Цитата из Википедии:

Плазменные резаки с инвертором

преобразуют сетевое питание в постоянный ток, который подается на высокочастотный транзисторный инвертор в диапазоне от 10 кГц до примерно 200 кГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать трансформатор меньшего размера, что приводит к уменьшению габаритов и веса.

Первоначально используемые транзисторы были MOSFET, но теперь все чаще используются IGBT. При использовании параллельно подключенных полевых МОП-транзисторов, если один из транзисторов активируется преждевременно, это может привести к каскадному отказу одной четверти инвертора.Более позднее изобретение, IGBT, не подвержено этому режиму отказа. IGBT обычно можно найти в сильноточных машинах, где невозможно параллельное соединение достаточного количества MOSFET-транзисторов.


Рис. 5

Рис. 5 использует IGBT для отключения 170 В постоянного тока для высокочастотного трансформатора. Это используется в микроволновых печах Panasonic.

Более высокая частота позволяет использовать меньшие (более дешевые) трансформаторы. Это также снижает вес. D701, D701, C703 и C704 образуют удвоитель напряжения.R701 — это высоковольтный резистор утечки.

Поскольку я мог использовать ту же установку для тестирования IGBT, что и n-канальные MOSFET, я протестировал те, которые у меня были.

IGBT, по крайней мере, те, которые у меня есть, не должны использоваться, если только это не цепь очень высокого напряжения. Они имеют высокое падение напряжения (Vce ~ 2 В) с низковольтными h-мостовыми схемами и лучше подходят для переключения на более высокое напряжение.

См. Тестовые силовые МОП-транзисторы, результаты IGBT, наблюдения

Вывод: IGBT не работают напрямую с 3.Микроконтроллеры 3В и 5В, такие как Arduino. Для включения требуется минимум 7 вольт. Высокое напряжение от 1,5 до 2 В может привести к потере энергии.

IGBT

отличаются от полевых МОП-транзисторов как положительным потоком, так и потоком электронов, который может передавать большую мощность даже при 2 В Vce на нагрузку. Они действительно предназначены для коммутации высокого напряжения.

Устройство * Vce * Vce (sat) * Ic Ic 10V Vce
h30R1202 1200V 1.48V 20A 3,41A 1,96V
IXGh35N100A 1000V 3,5V 50A 3,4A ** 1,96V IX ? ? 3.7A 1.68V

* из спецификации.
** нет данных.

Оптическая развязка управления двигателем H-моста YouTube
Оптическая развязка управления двигателем с Н-образным мостом

Теория оптопары и схемы YouTube
Драйверы оптоизолированных транзисторов для микроконтроллеров

All NPN Transistor H-Bridge Motor Control YouTube
Управление двигателем с Н-мостом на всех NPN транзисторах

Учебное пособие по широтно-импульсной модуляции YouTube
Учебное пособие по широтно-импульсной модуляции

PIC12F683 Микроконтроллер и схемы YouTube
PIC12F683 Микроконтроллер и схемы

Биполярный транзистор с изолированным затвором | IGBT

IGBT — относительно новое устройство в силовой электронике, и до появления IGBT силовые MOSFET и Power BJT широко использовались в силовых электронных устройствах.Оба эти устройства обладали некоторыми достоинствами и одновременно недостатками. С одной стороны, у нас были плохие характеристики переключения, низкий входной импеданс, вторичный пробой и управляемый током Power BJT, а с другой — отличные характеристики проводимости. Точно так же у нас были отличные характеристики переключения, высокий входной импеданс, PMOSFET с управлением напряжением, которые также имели плохие характеристики проводимости и проблемные паразитные диоды при более высоких номиналах. Хотя униполярный характер PMOSFET приводит к малому времени переключения, он также приводит к высокому сопротивлению в открытом состоянии при увеличении номинального напряжения.

Таким образом, возникла потребность в таком устройстве, которое обладало бы достоинствами как PMOSFET, так и Power BJT, и это было тогда, когда IGBT был представлен примерно в начале 1980-х годов и стал очень популярным среди инженеров силовой электроники из-за своих превосходных характеристик. IGBT имеет PMOSFET, как входные характеристики, и Power BJT, как выходные характеристики, и, следовательно, его символ также является объединением символов двух родительских устройств. Три терминала IGBT — это затвор, коллектор и эмиттер. На рисунке ниже показан символ IGBT.
БТИЗ
известен также под различными другими названиями, такими как Металлооксидный транзистор с изолированным затвором (MOSIGT), полевой транзистор с модуляцией усиления (GEMFET), полевой транзистор с кондуктивной модуляцией (COMFET), транзистор с изолированным затвором (IGT).

Структура IGBT

Структура IGBT очень похожа на структуру PMOSFET, за исключением одного слоя, известного как инжекционный слой, который имеет p + , в отличие от подложки n + в PMOSFET. Этот слой инжекции является ключом к превосходным характеристикам IGBT.Остальные слои называются дрейфом и областью тела. Два соединения имеют маркировку J 1 и J 2 . На рисунке ниже показана структура n-канального IGBT.

Внимательно изучив структуру, мы обнаружим, что существует n-канальный полевой МОП-транзистор и два BJT-транзистора — Q 1 и Q 2 , как показано на рисунке. Q 1 — это p + n p BJT, а Q 2 — это n pn + BJT. R d — это сопротивление области дрейфа, а R b — сопротивление области p тела.Можно заметить, что коллектор Q 1 совпадает с базой Q 2 , а коллектор Q 2 совпадает с базой Q 1 . Следовательно, мы можем прийти к модели эквивалентной схемы IGBT, как показано на рисунке ниже.

Два транзистора, соединенные задними сторонами друг к другу, образуют паразитный тиристор, как показано на рисунке выше.

N-канальный IGBT включается, когда коллектор находится под положительным потенциалом по отношению к эмиттеру и затвору, а также с достаточным положительным потенциалом (> V GET ) по отношению к излучаемому.Это условие приводит к образованию инверсионного слоя непосредственно под затвором, что приводит к образованию канала, и ток начинает течь от коллектора к эмиттеру.

Коллекторный ток I c в IGBT состоит из двух компонентов — I e и I h . I e — это ток из-за инжектированных электронов, протекающих от коллектора к эмиттеру через инжекционный слой, дрейфовый слой и, наконец, сформированный канал. I h — это дырочный ток, протекающий от коллектора к эмиттеру через Q 1 и сопротивление тела R b .Следовательно,

Хотя I h почти несущественно и, следовательно, I c ≈ I e .
В IGBT наблюдается своеобразное явление, известное как фиксация IGBT. Это происходит, когда ток коллектора превышает определенное пороговое значение (I CE ). При этом паразитный тиристор защелкивается, и вывод затвора теряет контроль над током коллектора, и IGBT не выключается, даже когда потенциал затвора снижается ниже V GET . Теперь для отключения IGBT нам понадобится типовая схема коммутации, как и в случае принудительной коммутации тиристоров.Если не выключить устройство как можно скорее, оно может быть повреждено.

Характеристики IGBT

Статические ВАХ IGBT

На рисунке ниже показаны статические i-v характеристики n-канального IGBT вместе с принципиальной схемой с отмеченными параметрами.

График аналогичен графику BJT, за исключением того, что параметр, который сохраняется постоянным для графика, составляет V GE , поскольку IGBT — это устройство, управляемое напряжением, в отличие от BJT, которое является устройством с контролем тока.Когда устройство находится в режиме ВЫКЛ (V CE положительный, а V GE GET ) обратное напряжение блокируется J 2 , а когда оно смещено в обратном направлении, то есть V CE отрицательно, J 1 блокирует напряжение.

Передаточные характеристики IGBT

На рисунке ниже показана передаточная характеристика IGBT, которая в точности совпадает с PMOSFET. IGBT находится во включенном состоянии только после того, как V GE превышает пороговое значение V GET .

Характеристики переключения IGBT

На рисунке ниже показана типичная характеристика переключения IGBT .

Время включения t на , как обычно, состоит из двух составляющих: времени задержки (t dn ) и времени нарастания (t r ). Время задержки определяется как время, за которое ток коллектора повышается с тока утечки I CE до 0,1 I C (конечный ток коллектора), а напряжение коллектора-эмиттера падает с V CE до 0.9 В CE . Время нарастания определяется как время, за которое ток коллектора повышается с 0,1 I C до I C , а напряжение коллектора-эмиттера падает с 0,9 В CE до 0,1 В CE .

Время выключения t off состоит из трех компонентов: времени задержки (t df ), времени начального спада (t f1 ) и времени окончательного спада (t f2 ). Время задержки определяется как время, когда ток коллектора падает с I C до 0,9 I C и V CE начинает расти.Время начального спада — это время, в течение которого ток коллектора падает с 0,9 I C до 0,2 I C , а напряжение коллектора-эмиттера повышается до 0,1 В CE . Окончательное время спада определяется как время, в течение которого ток коллектора падает с 0,2 I C до 0,1 I C и 0,1 В CE повышается до конечного значения V CE .

Преимущества и недостатки IGBT

Преимущества: —
Преимущества IGBT показаны ниже

  • Более низкие требования к приводу затвора
  • Низкие коммутационные потери
  • Малые требования к демпфирующей цепи
  • Устройство с высоким входным сопротивлением
  • Устройство с высоким входным сопротивлением
  • Температурный коэффициент сопротивления включенного состояния положительный и меньше, чем у PMOSFET, следовательно, меньше падение напряжения во включенном состоянии и потери мощности.
  • Повышенная проводимость из-за биполярности
  • Лучшая безопасная рабочая зона

Недостатки: —
Недостатки IGBT проявляются ниже

  • Стоимость
  • Проблема фиксации
  • Высокое время выключения PM
  • В чем разница между IGBT и высоковольтными полевыми МОП-транзисторами?

    После развития бок о бок в течение последних трех десятилетий, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и MOSFET теперь доминируют на рынке силовых полупроводников в таких приложениях, как приводы двигателей, источники бесперебойного питания (ИБП) и солнечные инверторы.Итак, где IGBT лучше всего подходят, а когда лучше использовать MOSFET?

    Основные структуры и принципы

    IGBT — это полупроводниковое устройство, которое сочетает в себе выходные характеристики биполярного транзистора и характеристики управления затвором полевого МОП-транзистора. Таким образом, IGBT — это устройство с неосновной несущей с высоким входным сопротивлением и высокой пропускной способностью по току. По сравнению с полевыми МОП-транзисторами, IGBT также лучше подходят для масштабирования возможностей обработки тока при более высоких уровнях напряжения из-за их биполярных выходных характеристик.

    Чтобы включить типичный планарный N-канальный полевой МОП-транзистор высокого напряжения, положительное напряжение должно быть приложено к затвору относительно истока (см. Рисунок) . Если напряжение затвор-исток равно или превышает пороговое напряжение полевого МОП-транзистора, под затвором накапливается достаточное количество электронов, чтобы создать инверсионный слой, формирующий проводящий канал в области тела P +. Это обеспечивает протекание тока от стока к источнику (обычный поток; электронный поток от истока к стоку).

    Обычный планарный MOSFET (a) и обычный IGBT (b) сильно отличаются.N-канальный IGBT — это, по сути, N-канальный силовой полевой МОП-транзистор, расположенный поверх подложки типа p +. Сквозные IGBT имеют дополнительный буферный слой n +.

    Чтобы выключить его, напряжение затвор-исток уменьшается ниже порогового значения. (Практически Vge снижается до 0 В.) В результате слой инверсии больше не остается, и прямой ток стока блокируется. В выключенном состоянии p-n-переход тело-сток с обратным смещением поддерживает напряжение сток-исток.

    В N-канальных полевых МОП-транзисторах во время прямой проводимости текут только электроны, и неосновные носители отсутствуют.Таким образом, скорость переключения ограничивается только скоростью подачи или снятия заряда с паразитных емкостей полевого МОП-транзистора. Это ключевой момент, на который следует обратить внимание, и основная причина того, почему силовые полевые МОП-транзисторы используются, когда для конечного приложения важны высокие скорости переключения.

    Одной из ключевых характеристик полевого МОП-транзистора является его сопротивление R DS (on) . В общем, у обычного силового полевого МОП-транзистора R DS (on) резко возрастает номинальное напряжение пробоя из-за увеличения толщины дрейфовой области, необходимой для поддержания высокого рабочего напряжения.С появлением полевых МОП-транзисторов с суперпереходом это уменьшило R DS (on) для того же напряжения пробоя (сделало связь между R DS (on) и номинальным напряжением пробоя относительно линейной, а не квадратичной). Таким образом, полевые МОП-транзисторы с суперпереходом все чаще используются в приложениях, где требуется низкий R DS (on) , высокое напряжение блокировки и высокая скорость переключения для достижения высокой эффективности и плотности мощности, например, внутрисерверные источники питания.

    Работа IGBT очень похожа на силовой MOSFET с точки зрения создания инверсионного слоя путем приложения достаточного напряжения затвор-эмиттер.Этот поток электронов вытягивает положительные заряды (дырки) из подложки p-типа в область дрейфа. Это значительное увеличение проводимости дрейфового слоя позволяет резко снизить напряжение в открытом состоянии IGBT.

    Этот механизм модуляции проводимости позволяет IGBT достигать более высокой плотности тока и производительности по сравнению с аналогичным номинальным напряжением MOSFET. Во время выключения поток электронов останавливается (как в силовом MOSFET), но дырки остаются в области дрейфа.Эти заряды должны быть удалены в процессе рекомбинации. Таким образом, IGBT обычно демонстрируют хвостовой ток во время выключения, пока все отверстия не будут выметаны или рекомбинированы. Сегодня современные IGBT проектируются с минимальным эффектом остаточного тока.

    Основным преимуществом IGBT перед силовым MOSFET является гораздо меньшее падение напряжения в открытом состоянии из-за модуляции проводимости. Эта функция приводит к меньшему размеру кристалла по сравнению с MOSFET при тех же номинальных токах и напряжении. Баланс между коммутационными потерями и потерями проводимости точно настраивается, поэтому грань между IGBT и MOSFET стирается во многих приложениях.Это подводит нас к вопросу о том, как эти устройства сравниваются в данном приложении.

    Перспектива приложения

    Учитывая широкую доступность как IGBT, так и высоковольтных силовых полевых МОП-транзисторов с номинальным напряжением пробоя от 500 до 800 В, разработчики часто сталкиваются с проблемой выбора IGBT или MOSFET для данного приложения и набора условий эксплуатации.

    В случае трехфазных приводов с регулируемой скоростью вращения в диапазоне номинальной мощности от 300 Вт до 5 кВт, использующих напряжение на шине постоянного тока в диапазоне от 300 до 400 В и обычно реализуемых с помощью топологии инвертора с шестью переключателями. IGBT с номинальным напряжением от 600 до 650 В (вместе с антипараллельным быстрым восстанавливающимся диодом) традиционно были предпочтительными устройствами с точки зрения общей производительности.Но с наличием сегодня высокой скорости переключения, низкого R DS (вкл.) и относительно быстро восстанавливающихся полевых МОП-транзисторов с номинальной мощностью от 500 до 650 В, возникает вопрос, не пора ли IGBT уступить место. к полевому МОП-транзистору.

    Сосредоточившись только на соображениях производительности и с целью выбрать устройство, которое обеспечивает относительно низкие потери в условиях примера приложения, мы можем сравнить примеры IGBT и высоковольтные полевые МОП-транзисторы (Таблица 1) .

    Для этой цели в Excel реализованы упрощенные уравнения потерь, предполагающие жестко коммутируемую полумостовую топологию. Упрощенные уравнения потерь, устройства, выбранные для сравнения, и сделанные предположения, а также фактический файл калькулятора Excel доступны по адресу http://am.renesas.com/products/discrete/igbt/Application_Notes.jsp.

    Для этого анализа выбраны два типичных устройства TO247 / TO3P в упаковке и близко согласованных (с точки зрения основных электрических характеристик) IGBT + FRD и MOSFET.Таблица 2 показывает снимок калькулятора и результаты анализа.

    Анализ результатов

    Судя по результатам экспериментов, IGBT имеет преимущество перед MOSFET на более высоких частотах переключения. Но при более низких частотах переключения полевой МОП-транзистор имеет более низкие общие потери и более низкую рабочую температуру перехода. (Выбранные IGBT и MOSFET имеют примерно одинаковые размеры кристалла и тепловое сопротивление.)

    Это в некотором смысле противоречит общепринятому мнению, согласно которому часто утверждается, что полевые МОП-транзисторы лучше работают на более высоких частотах переключения.Однако эти результаты свидетельствуют об обратном и могут быть объяснены в первую очередь из-за значительно более низкой составляющей потерь при восстановлении диода в IGBT + FRD (диод с быстрым восстановлением) и значительного улучшения в минимизации поведения хвостового тока IGBT.

    Более низкие потери переключения IGBT + FRD из-за значительно более низкой составляющей потерь при восстановлении диода дают ему преимущество перед MOSFET на частоте 20 кГц (относительно высокая частота переключения для этого приложения).

    Кроме того, потери при переключении полевого МОП-транзистора могут быть значительно уменьшены за счет использования драйвера затвора с более высокой способностью к источнику и потреблению тока (например, драйвер с номинальным током источника / стока 2 А).В результате общие потери MOSFET уменьшатся и позволят MOSFET сократить разрыв между ним и IGBT. Однако результирующее более высокое значение dv / dt может вызвать нежелательные эффекты, такие как высокочастотный звон и более высокий уровень излучаемых электромагнитных помех.

    Интересно, что на более низких частотах переключения, где преобладают потери проводимости, MOSFET выигрывает из-за отсутствия «перегиба» в его прямых характеристиках в сочетании с относительно низким R DS (on) .

    Хотя IGBT по-прежнему является лучшим устройством для выбора в этом примере применения, доступность полевых МОП-транзисторов со значительно более низким R DS (on) наряду с улучшенными характеристиками восстановления диода и сильным драйвером затвора может начать склонять баланс в сторону полевого МОП-транзистора.В этом случае все сводится к соотношению цена / производительность («долл. / Ампер»), при этом IGBT, вероятно, имеет преимущество из-за гораздо более высокой плотности тока (для данного размера кристалла).

    IGBT и MOSFET с аналогичным номиналом часто доступны для конкретного приложения. Полезно четко понимать преимущества и ограничения обоих устройств и выбирать то, которое лучше всего соответствует требованиям с точки зрения общей производительности и стоимости. Хотя это непростая задача, более глубокое знакомство с этими силовыми устройствами окажется полезным при принятии этих сложных решений.

    Номер ссылки

    «Силовые полупроводниковые приборы, теория и приложения», В. Бенда, Дж. Говар, Д. А. Грант, John Wiley & Sons Ltd, авторское право 1999 г.

    Сатьяврат Лауд , старший менеджер по маркетингу продукции Renesas Electronics America, отвечает за маркетинг продукции IGBT в Северной и Южной Америке. Он имеет более чем 15-летний опыт работы с силовыми цепями, системными двигателями и устройствами, связанными с приложениями, дизайном и маркетингом.Он получил степень бакалавра в Университете Мумбаи, Индия, и степень магистра в области электротехники в Университете Хьюстона, штат Техас.

    Питер Х. Уилсон , старший менеджер по маркетингу продукции в Renesas Electronics America, более 20 лет проработал в полупроводниковой промышленности, имеет 10 патентов и множество опубликованных статей. Он получил степень бакалавра прикладной физики в Университете Конкордия, Монреаль, Канада, и степень магистра инженерной физики в Университете Макмастера, Гамильтон, Канада.

    Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

    IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) обеспечивает высокую скорость переключения, необходимую для работы ЧРП с ШИМ. IGBT могут включаться и выключаться несколько тысяч раз в секунду. VFD IGBT может включиться менее чем за 400 наносекунд и выключиться примерно за 500 наносекунд. VFD IGBT состоит из затвора, коллектора и эмиттера. Когда на затвор подается положительное напряжение (обычно +15 В постоянного тока), IGBT включается.Это похоже на замыкание переключателя. Ток будет течь между коллектором и эмиттером. VFD IGBT отключается путем снятия положительного напряжения с затвора. В выключенном состоянии напряжение затвора IGBT обычно поддерживается на небольшом отрицательном уровне (-15 В постоянного тока), чтобы предотвратить включение устройства.

    Все современные частотно-регулируемые приводы используют силовые устройства, известные как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Эти устройства позволяют минимизировать раздражающий слышимый шум за счет использования частот переключения за пределами слышимого диапазона.К сожалению, частотно-регулируемые приводы, использующие IGBT, представляют большой потенциал для генерации RFI — радиочастотных помех. Быстрое переключение в этих устройствах генерирует сигналы с острыми краями с высокочастотными компонентами, которые создают больше RFI. Наиболее вероятная жалоба — это помехи радиоприемникам AM диапазона 500-1600 кГц. Тем не менее, чувствительные компьютеры, медицинское оборудование и другие чувствительные к шуму устройства, использующие одну и ту же шину питания, могут испытывать серьезные помехи.

    В крайних случаях сам частотно-регулируемый привод может испытывать электрические помехи (как уменьшить шум?).Если оборудование машинного помещения лифта не правильно спланировано и подключено неправильно, электрический шум, распространяемый системой ЧРП лифта, может мешать работе контроллера лифта.

    Примером может служить здание без надежной системы заземления, в котором система частотно-регулируемого привода столкнулась с множеством проблем. Для устранения многих проблем с электрическими помехами было предусмотрено твердое заземление, но на сам частотно-регулируемый привод воздействовали неопределенные источники шума.

    Была исследована прокладка полевой проводки подрядчика к контроллеру, и несколько недостатков были обнаружены и исправлены.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *