Принцип работы IGBT – все, что вам нужно знать

IGBT — одно из самых эффективных электронных изобретений. Принцип работы IGBT уникален и находит множество коммерческих применений — в качестве приводов двигателей переменного/постоянного тока, управления тяговыми двигателями, ИБП (нерегулируемый источник питания), инверторов и т. д.

Но, не будем забегать вперед. Вам нужно полностью понять, как работает IGBT. Итак, поехали.

Что такое IGBT?

IGBT означает биполярный транзистор с изолированным затвором. Это полупроводниковое электрическое устройство с 3 клеммами, обеспечивающее быстрое переключение при высокой эффективности.

Чтобы лучше понять IGBT, лучше понять различные транзисторы с точки зрения функциональности.

Транзисторы

Транзистор — это небольшой электронный компонент, выполняющий две основные функции. Он действует как переключатель для управления цепями освещения и может усиливать сигналы.

Существуют различные типы транзисторов, основанные на другой полезности или конкретной применимости. Обычно используются транзисторы BJT (транзистор с биполярным переходом), MOSFET и IGBT.

И BJT, и MOSFET имеют свои предпочтения, а также преимущества перед другими. В то время как биполярные транзисторы предпочитают малые падения в открытом состоянии, полевые МОП-транзисторы лучше всего подходят благодаря высокому импедансу I/P, низким потерям при переключении и отсутствию вторичного пробоя.

БТИЗ сочетает в себе биполярный транзистор и полевой МОП-транзистор, благодаря чему он сочетает в себе лучшее от обоих транзисторов.

Таким образом, IGBT представляет собой трехвыводное устройство, используемое в качестве коммутационного устройства и применимое для усиления сигналов. IGBT обеспечивает быстрое переключение с высокой эффективностью.

Символ IGBT

Поскольку IGBT сочетает в себе BJT и MOSFET, его символы следуют тому же принципу, что и ниже.

Символ IGBT

Символ также имеет три терминала — Коллектор, Излучатель и Ворота. Входная сторона представляет собой MOSFET, а выходной символ берется из символа BJT.

Как и ожидалось, выводами проводимости являются коллектор и эмиттер. Ворота — это терминал управления.

Структура IGBT

Все три вывода (коллектор, эмиттер и затвор) IGBT прикреплены металлическими слоями. Однако металлический материал терминала Gate имеет изоляцию из слоя диоксида кремния.

Внутри структура IGBT представляет собой четырехслойное полупроводниковое устройство. Четырехслойное устройство получается путем объединения транзисторов PNP и NPN, которые составляют схему PNPN.

Структура IGBT

Источник:Components101

Ближайший к области коллектора слой — это (p+) подложка, область инжекции. Справа над ним находится N-область дрейфа, которая включает N-слой.

Инжекторная активная область инжектирует большую часть несущей (дырочный ток) из (p+) в N-слой.

Толщина области дрейфа определяет способность IGBT блокировать напряжение.

Поверх области дрейфа находится область тела, состоящая из (p) субстрата. Он находится недалеко от Излучателя. Внутри области тела есть (n+) слоев.

Обратите внимание, что соединения между областью коллектора (или областью впрыска) и областью N-Drift являются J2. Точно так же соединение между областью N и областью тела является соединением J1.

ПРИМЕЧАНИЕ. Структура IGBT топологически похожа на тиристор с точки зрения затвора «MOS». Но действие и функциональность тиристора можно подавить, а это означает, что во всем диапазоне работы устройства IGBT допустимо только действие транзистора.

IGBT предпочтительнее тиристора из-за быстрого переключения тиристора, ожидающего пересечения нуля.

Как работает IGBT?

Принцип работы IGBT включается или выключается путем активации или деактивации его клеммы Gate.

Если положительное входное напряжение проходит через затвор, эмиттер поддерживает цепь возбуждения во включенном состоянии. С другой стороны, если на клемме Gate IGBT нулевое напряжение или слегка отрицательное напряжение, он отключает приложение схемы.

Поскольку биполярное устройство с изолированным затвором функционирует как биполярный транзистор и полевой МОП-транзистор, величина усиления, которую оно достигает, представляет собой соотношение между его выходным и управляющим входными сигналами.

Для обычного биполярного транзистора коэффициент усиления примерно равен отношению выходного тока к входному току. Мы назвали его бета и обозначили как β.

С другой стороны, для полевого МОП-транзистора входной ток отсутствует, потому что вывод Gate является изоляцией основного канала, по которому течет ток. Мы определяем коэффициент усиления IGBT путем деления изменения выходного тока на изменение входного напряжения. Это делает IGBT транскондуктивным устройством.

Работа IGBT как цепи

Поясним это с помощью рисунка ниже, который описывает весь рабочий диапазон IGBT устройства.

Работа IGBT как цепи

IGBT работает только при наличии напряжения на клемме Gate. Это напряжение затвора, равное V_G. .

Как видно на диаграмме, при наличии напряжения затвора (В _Г )_, ток затвора (I _Г ) увеличивается. Затем он увеличивает напряжение затвор-эмиттер (В _GE ).

Следовательно, напряжение затвор-эмиттер увеличивает ток коллектора (I _С ). Таким образом, ток коллектора (I _С ) уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером (В _CE ).

ПРИМЕЧАНИЕ. IGBT имеет падение напряжения, аналогичное диодам, обычно порядка 2 В, которое увеличивается только с логарифмом тока.

IGBT использует обратные диоды для проведения обратного тока. Свободные диоды размещаются на клеммах коллектор-эмиттер устройства.

 БТИЗ, кремниевый диод

Источник:публикация Researchgate

Встроенный диод является обязательным требованием для IGBT, поскольку без него силовое электронное устройство может вывести из строя силовой ключ. После выключения индуктивный ток нагрузки генерирует пики высокого напряжения всякий раз, когда нет подходящего пути.

Модуль IGBT и FWD

Источник:Researchgate

Всякий раз, когда биполярный транзистор с изолированным затвором выключается, неосновные носители из N-области перетекают во внешнюю схему. После расширения обедненного слоя (возрастание напряжения коллектор-эмиттер) неосновные носители вызывают внутреннюю рекомбинацию протекающего тока, хвостовой ток.

Типы IGBT

Как четырехслойное устройство, IGBT можно классифицировать на основе наличия (n+) буферного слоя. Биполярные транзисторы с изолированным затвором и буферным слоем (n+) представляют собой сквозные IGBT (или просто PT-IGBT).

Точно так же IGBT без буферного слоя (n+) представляют собой IGBT без пробивки через IGBT (или просто NPT-IGBT). Вот таблица их различий.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором также классифицируются по своим характеристикам. Концепция проектирования устройств для PT-IGBT и NPT-IGBT может быть как симметричной, так и асимметричной.

Симметричные IGBT имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя. В то же время асимметричные биполярные транзисторы с изолированным затвором имеют прямое напряжение пробоя больше, чем обратное напряжение пробоя.

Это означает, что симметричный IGBT в основном применим в цепях переменного тока. С другой стороны, асимметричные IGBT применимы в цепях постоянного тока, потому что им не нужно какое-либо поддерживаемое обратное напряжение.

Модели IGBT

Схемы, использующие принцип работы IGBT, обычно моделируются с помощью симуляторов цепей, таких как Sabre и SPICE.

Симуляторы могут моделировать IGBT (и другие реальные устройства), чтобы обеспечить наилучшие прогнозы относительно токов и напряжений на электрических клеммах.

Для еще более точного прогноза тепло и температура включены в процесс моделирования. Наиболее распространенными методами моделирования концепции устройства IGBT являются:

• Физическая модель
• Макромодель

Симулятор SPICE использует метод MacroModel, который объединяет различные компоненты, такие как полевые МОП-транзисторы и биполярные транзисторы, с использованием конфигурации Дарлингтона.

Принцип работы IGBT– Электрические характеристики

Из-за того, что работа IGBT зависит от напряжения, для поддержания проводимости устройствам требуется лишь незначительное напряжение, подаваемое на клемму Gate.

Электрические характеристики

Это противоположность биполярным силовым транзисторам, которым требуется непрерывный базовый ток в базовой области для поддержания насыщения.

В то же время IGBT является однонаправленным устройством, что означает, что он переключается только в «прямом направлении» (от коллектора к эмиттеру).

Это противоположность МОП-транзисторам, которые имеют двунаправленный процесс переключения тока. В практических устройствах полевые МОП-транзисторы управляются в прямом направлении и не контролируются в обратном направлении.

Обратите внимание, что в динамических условиях IGBT может испытывать ток блокировки, когда устройство выключается. Когда кажется, что непрерывный управляющий ток во включенном состоянии превышает критическое значение, это ток блокировки.

Кроме того, когда напряжение затвор-эмиттер падает ниже порогового напряжения, через устройство протекает небольшой ток утечки. В это время напряжение коллектор-эмиттер почти равно напряжению питания. Таким образом, четырехслойный БТИЗ работает в области отсечки.

Принцип работы IGBT — применение IGBT

IGBT можно использовать в усилителях слабого сигнала, точно так же, как MOSFET и BJT. Тем не менее, IGBT сочетает в себе лучшее из обоих, поэтому имеет низкие потери проводимости и высокую скорость переключения.

IGBT используются в большинстве современных электронных устройств, таких как стереосистемы, поезда, VSF, электромобили, кондиционеры и т. д.

БТИЗ и МОП-транзистор

Биполярные транзисторы с изолированным затвором лучше всего подходят для высоковольтных, низких частот переключения и сильноточных конфигураций. И наоборот, полевые МОП-транзисторы лучше всего подходят для низковольтных, высоких частот переключения и средних токов.

БТИЗ и МОП-транзистор

Источник:Researchgate

IGBT можно использовать в практических устройствах с частотой переключения ниже 20 кГц из-за его высоких потерь переключения.

Обзор

Мы надеемся, что теперь вы понимаете, что такое IGBT и чем они отличаются от MOSFET и BJT. У вас есть вопросы или опасения по поводу IGBT? Не стесняйтесь связаться с нами!