Принцип роботи силових IGBT транзисторів

Біполярні транзистори з ізольованим затвором широко використовуються в силовій електроніці. Це надійні і недорогі компоненти, управляющиеся шляхом подачі напруги на ізольований від ланцюга елемент. IGBT – транзистор, принцип роботи якого надзвичайно простий. Використовується він в інверторах, системах управління електроприводами і імпульсних джерелах живлення.

Історія появи

Перші польові транзистори були розроблені в 1973 році, а вже через 6 років з'явилися керовані біполярні моделі, в яких використовувався ізольований затвор. У міру вдосконалення технології істотно покращилися показники економічності і якості роботи таких елементів, а з розвитком силової електроніки і технічних засобів АСУ ТП вони набули широкого поширення, зустрічаючись сьогодні практично в кожному електроприладі.

Сьогодні використовуються електронні компоненти другого покоління, які здатні комутувати електрострум в діапазоні до декількох сотень Ампер. Робоча напруга у IGBT – транзисторів коливається від сотень до тисячі Вольт. Вдосконалюють технології виготовлення електротехніки дозволяють виконувати якісні транзистори, що забезпечують стабільну роботу електроприладів і блоків живлення.

Основні характеристики

Принцип роботи транзисторів і їх характеристики будуть прямо залежати від типу пристрою і його конструкції. До основних параметрів напівпровідників можна віднести наступне:

• Максимально допустимий струм.
• Показник керуючого напруги.
• Внутрішній опір.
• Період затримки підключення і вимикання.
• Паразитна індуктивність.
• Вхідна і вихідна ємність.
• Напруга насичення у емітера і колектора.
• Струм відсічення емітера.
• Напруга пробою колектора і емітера.

Широке поширення отримали сьогодні потужні IGBT транзистори, які застосовуються в блоках харчування інверторів. Такі пристрої одночасно поєднують потужність, високу точність роботи і мінімум паразитного індуктивності. В регуляторах швидкості застосовуються IGBT з частотою в десятки тисяч кГц, Що дозволяє забезпечити максимально можливу точність роботи приладів.

Переваги і недоліки

Сьогодні у продажу можна підібрати різні моделі напівпровідників, які будуть відрізнятися своїми показниками робочої частоти, ємністю і рядом інших характеристик. Популярність IGBT транзисторів обумовлена ​​їх відмінними параметрами, Характеристиками і численними перевагами:

• Можливість експлуатації з високою потужністю і підвищеною напругою.
• Робота при високій температурі.
• Мінімальні втрати струму у відкритому вигляді.
• Стійкість до короткого замикання.
• Підвищена щільність.
• Практично повна відсутність втрат.
• Проста паралельна схема.

До недоліків IGBT відносять їх високу вартість, що призводить до деякого збільшення витрат на виготовлення електроприладів і потужних блоків живлення. При плануванні схеми підключення з транзисторами цього типу необхідно враховувати наявні обмеження по показнику максимально допустимого струму. Щоб вирішити такі проблеми, можна використовувати такі конструктивні рішення:

• Використання обхідного шляху комутації.
• Вибір опору затвора.
• Правильний підбір показників струму захисту.

Електросхеми пристроїв повинні розробляти виключно професіонали, що дозволить забезпечити правильність роботи техніки, відсутність коротких замикань і інших проблем з електроприладами. При наявності якісної схеми підключення, реалізувати її не важко, виконавши своїми руками силовий блок, харчування і різні пристрої.

Пристрій і принцип роботи

Внутрішній устрій IGBT транзистора складається з двох каскадних електронних ключів, які керують кінцевим виходом. У кожному конкретному випадку, в залежності від потужності і інших показників, конструкція приладу може відрізнятися, включаючи додаткові затвори та інші елементи, які покращують показники потужності і допустимого напруги, забезпечуючи можливість роботи при температурах понад 100 градусів.

Напівпровідники IGBT типу мають стандартизовану комбіновану структуру і наступні позначення:

Принцип роботи транзистора надзвичайно простий. Як тільки на нього подається напруга позитивного потенціалу, в затворі і початку польового транзистора відкривається n-канал, в результаті чого відбувається рух заряджених електронів. Це збуджує дію біполярного транзистора, після чого від емітера безпосередньо до колектора починає протікати електричний струм.

Основним призначенням IGBT транзисторів є їх наближення до безпечного значення струмів замикання. Такі струми можуть обмежувати напруга затвора різними методами.

Прив'язкою до встановленого показника напруги. Драйвер затвора повинен мати постійні параметри, що досягається за рахунок додавання в схему пристрою діода Шотткі. Тим самим забезпечується зменшення індуктивності в ланцюзі харчування і затвора.

Показники напруги обмежуються за рахунок наявності стабілітрона в схемі емітера і затвора. Відмінна ефективність таких IGBT транзисторів досягається за рахунок установки до клем модуля додаткових діодів. Використовувані компоненти повинні мати високу температурну незалежність і малий розкид.

У ланцюг може включатися емітер з негативним зворотним зв'язком. Так може бути в тих випадках, коли драйвер затвора підключений до клем модуля.

Правильний вибір типу транзистора дозволить забезпечити стабільність роботи блоків живлення і інших електроприладів. Тільки в такому випадку можна гарантувати повністю безпечну роботу електроустановок при коротких замиканнях і в аварійних режимах експлуатації техніки.

Сфера використання

Сьогодні IGBT транзистори застосовуються в мережах з показником напруги до 6,5 кВт, забезпечуючи при цьому безпечну і надійну роботу електрообладнання. Є можливість використання інвертора, частотно регульованих приводів, зварювальних апаратів та імпульсних регуляторів струму.

Надпотужні різновиди IGBT використовуються в потужних приводах керування тролейбусів і електровозів. Їх застосування дозволяє підвищити ККД, забезпечивши максимально можливу плавність ходу техніки, оперативно управляючи виходом електродвигунів на їх повну потужність. Силові транзистори застосовуються в ланцюгах з високою напругою. Вони використовуються в схемах побутових кондиціонерів, посудомийних машин, блоків живлення в телекомунікаційному обладнанні і в автомобільному запалюванні.

Перевірка справності

Ревізія і тестування IGBT напівпровідників виконується при наявності несправностей електричних пристроїв. Таку перевірку проводять з використанням мультітестера, прозванивая колектори і електроди з емітером в двох напрямках. Це дозволить встановити працездатність транзистора і виключить відсутність замикання. При перевірці необхідно негативно зарядити вхід затвора, використовуючи щупи мультиметров типу COM.

Для перевірки правильності роботи транзистора на вході і виході затвора заряджають ємність позитивним полюсом. Виконується така зарядка за рахунок короткочасного торкання щупом затвора, після чого перевіряється різниця потенціалу колектора і емітера. Дані потенціалів не повинні мати розбіжність більше 1,5 Вольта. Якщо тестується потужний IGBT, а тестера не вистачатиме для позитивного заряду, на затвор подають напруга живлення до 15 Вольт.

потужні модулі

Силові транзистори виготовляються не тільки окремими напівпровідниками, а й уже зібраними готовими до використання модулями. Такі пристосування входять до складу потужних частотних перетворювачів в управлінні електромоторами. У кожному конкретному випадку схема і принцип роботи модуля будуть відрізнятися в залежності від його типу і призначення. Найчастіше в таких пристроях використовується міст, виконаний на основі двох силових транзисторів.

Стабільна робота IGBT забезпечується при частоті 150 кілогерц. При підвищенні робочої частоти можуть збільшуватися втрати, що негативно позначається на стабільності електроприладів. Силові транзистори всі свої переваги і можливості виявляють при використанні з напругою понад 400 Вольт. Тому такі напівпровідники найчастіше застосовують у промисловому обладнанні і електроприладах високої напруги.