Izołowane tranzystory dwubiegunowe (IGBT) to urządzenia półprzewodnikowe szeroko stosowane w nowoczesnej elektroniki mocy.Połączenie wysokiej impedancji wejściowej i szybkiego przełączania MOSFET z niskimi stratami przewodzenia tranzystora dwubiegunowego, IGBTs stały się wyborem dla zastosowań wymagających wydajnego przełączania wysokiego napięcia i dużego prądu.

Podstawowa struktura i zasada działania

IGBT łączy trzy główne regiony:

1. Wrota (G):Kontroluje formację kanału jak w MOSFET.

2. Odbiornik (C) i Emitent (E):Przenoszę prąd o wysokiej mocy jak w tranzystorze dwubiegunowym.

Kiedy na bramę nakłada się dodatnie napięcie, elektrony gromadzą się pod tlenem bramy tworząc przewodzący kanał.które następnie wstrzykują otwory z regionu kolektoru typu p, co powoduje niską odporność bieguUsunięcie napięcia bramy wyczerpuje kanał, blokując przepływ prądu.

Kluczowe cechy i zalety

• Pojemność wysokiego napięcia:IGBT łatwo obsługują napięcia od kilkuset woltów do kilkuset woltów, co sprawia, że nadają się do napędów przemysłowych i przetworników energii ze źródeł odnawialnych.

• Niskie straty przewodzenia:Po włączeniu urządzenie wykazuje bardzo niski spadek napięcia, co przekłada się na wysoką wydajność przy dużych obciążeniach.

• Szybkie przełączanie:Chociaż nie są one tak szybkie jak czyste MOSFET przy niskim napięciu, nowoczesne IGBT zmieniają się wystarczająco szybko (dziesiątki do setek nanosekund) dla wielu zastosowań PWM (modulacja szerokości impulsu).

• Wzmocnienie:Wytrzymały w przypadku przepływu napięcia i zwarć ze względu na ich dwubiegunową naturę i zdolność do wytrzymania wysokich napięć prądu przez krótki czas.

Ograniczenia

• Prąd ogonowy:W momencie wyłączenia

• Zarządzanie cieplne:Wysoka gęstość mocy wymaga skutecznego zanurzania ciepła i starannego pakowania, aby utrzymać temperaturę połączenia poniżej bezpiecznych limitów (zwykle < 150 °C).

• Wymagania dotyczące napędu bramy:IGBT wymagają precyzyjnego sterowania napięciem bramki (około +15 V dla pełnego włączenia i od 5 V do 15 V, aby zapewnić wyłączenie), a obwody sterowania muszą obsługiwać przesunięcie poziomu przy wysokich napięciach.

Opakowania i klasyfikacje

IGBT są dostępne w dyskretnych pakietach (TO-247, TO-264, itp.) oraz w modułach wieloczpionowych (moduły IGBT) dla wyższych poziomów mocy.

• Włókno blokujące (V_CES):Maksymalne napięcie, które urządzenie może zablokować, gdy jest wyłączone.

• Prąd kolektoru (I_C):Maksymalna prąd stały.

• Czas przełączania (t)_na, t_wyłączony):Opóźnienia włączenia/wyłączenia.

• Całkowita strata mocy (P_utrata):Suma strat przewodzenia i przełączania, istotne dla konstrukcji termicznej.

Wybór odpowiedniego IGBT

Przy wyborze IGBT należy wziąć pod uwagę:

• Klasa napięcia:Zgadza się V._CESdo maksymalnego przewodnika prądu stałego plus marża (np. urządzenie o napięciu 1200 V dla przewodnika 700 V).

• Aktualna ocena:Wybierz urządzenie, którego bieg ciągły i bieg szczytowy przekraczają wymagania obciążenia, biorąc pod uwagę temperaturę.

• Częstotliwość przełączania:Niskie częstotliwości (<10 kHz) faworyzują większe, nisko stratne IGBT.

• Odporność termiczna:Poziom modułu R_W(podział na przypadki) i konstrukcja opakowania wpływają na wymagania w zakresie zanurzania cieplnego.

• Opłata bramy:IGBT o niższym ładowaniu bramy wymagają mniejszego prądu napędowego, uproszczając konstrukcję sterownika.

Warunki termiczne i ochronne

• Wpływ ciepła:Należy stosować odpowiednie materiały interfejsu termicznego i rozgrzewacze o odpowiednich rozmiarach, aby utrzymać temperaturę połączenia w bezpiecznych granicach.

• Obwody Snubber:Wykrywacze RC lub RCD ograniczają wzrost napięcia podczas wyłączenia i chronią integralność urządzenia.

• Ochrona przed prądem:Szybkie wyłączenie bramki napędowej lub bezpieczniki zewnętrzne chronią przed zwarciami.

• Miękkie wyłączenie:Techniki stopniowego zmniejszania prądu mogą zapobiegać naprężeniu cieplnemu w warunkach przeciążenia.

Przyszłe trendy

Podczas gdy silikonowe IGBT pozostają dominujące, pojawiają się materiały o szerokim zakresie przepustowości, takie jak MOSFET z węglem krzemu (SiC) i tranzystory z azotkiem galiu (GaN).i pracy w temperaturze wyższejNiemniej jednak w przypadku scenariuszy wysokiego napięcia i wysokiego prądu zoptymalizowane moduły IGBT będą nadal opłacalne w przewidywalnej przyszłości.

IGBT odgrywają kluczową rolę w systemach konwersji mocy, osiągając równowagę między wytrzymałością wysokiego napięcia a wydajnym przełączeniem wysokiego prądu.i wymagania dotyczące aplikacji, inżynierowie mogą wybrać i wdrożyć rozwiązania IGBT, które maksymalizują wydajność systemu, niezawodność i opłacalność.