IGBT tranzistorji
Bipolarni tranzistorji z izoliranimi vrati so nova vrsta aktivnih naprav, ki so se pojavile relativno nedavno. Njegove vhodne karakteristike so podobne vhodnim karakteristikam tranzistorja z učinkom polja, njegove izhodne značilnosti pa so podobne izhodnim karakteristikam bipolarnega.
V literaturi se ta naprava imenuje IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)... Po hitrosti bistveno prekaša bipolarni tranzistorji... Najpogosteje se kot močnostna stikala uporabljajo tranzistorji IGBT, kjer je čas vklopa 0,2 — 0,4 μs, čas izklopa pa 0,2 — 1,5 μs, preklopne napetosti dosežejo 3,5 kV, tokovi pa 1200 A .
Tranzistorji IGBT-T nadomeščajo tiristorje iz visokonapetostnih pretvorniških vezij in omogočajo ustvarjanje impulznih sekundarnih napajalnikov s kvalitativno boljšimi lastnostmi. Tranzistorji IGBT-T se pogosto uporabljajo v pretvornikih za krmiljenje elektromotorjev, v zveznih napajalnih sistemih visoke moči z napetostmi nad 1 kV in tokovi več sto amperov.Do neke mere je to posledica dejstva, da je v stanju vklopa pri tokovih na stotine amperov padec napetosti na tranzistorju v območju od 1,5 do 3,5 V.
Kot je razvidno iz strukture IGBT tranzistorja (slika 1), je to precej zapletena naprava, v kateri je pn-p tranzistor krmiljen z n-kanalnim MOS tranzistorjem.
Zbiralec tranzistorja IGBT (slika 2, a) je oddajnik tranzistorja VT4. Ko se na vrata dovaja pozitivna napetost, ima tranzistor VT1 električno prevoden kanal. Preko njega je oddajnik tranzistorja IGBT (kolektor tranzistorja VT4) povezan z bazo tranzistorja VT4.
To vodi do dejstva, da je popolnoma odklenjen in padec napetosti med kolektorjem tranzistorja IGBT in njegovim oddajnikom postane enak padcu napetosti v oddajnem spoju tranzistorja VT4, seštetem s padcem napetosti Usi na tranzistorju VT1.
Zaradi dejstva, da se padec napetosti v p-n spoju zmanjšuje z naraščajočo temperaturo, ima padec napetosti v odklenjenem tranzistorju IGBT v določenem tokovnem območju negativen temperaturni koeficient, ki postane pozitiven pri visokem toku. Zato padec napetosti na IGBT ne pade pod mejno napetost diode (oddajnik VT4).
riž. 2. Ekvivalentno vezje IGBT tranzistorja (a) in njegova oznaka v domači (b) in tuji (c) literaturi
Ko se napetost, uporabljena na tranzistorju IGBT, poveča, se tok kanala poveča, kar določa osnovni tok tranzistorja VT4, medtem ko se padec napetosti na tranzistorju IGBT zmanjša.
Ko je tranzistor VT1 zaklenjen, tok tranzistorja VT4 postane majhen, zaradi česar se lahko šteje za zaklenjenega. Dodatni sloji so uvedeni za onemogočanje načinov delovanja, tipičnih za tiristorje, ko pride do plazovne okvare. Vmesni sloj n + in široko bazno območje n– zagotavljata zmanjšanje tokovnega ojačanja tranzistorja p — n — p.
Splošna slika vklapljanja in izklapljanja je precej zapletena, saj prihaja do sprememb v mobilnosti nosilcev naboja, koeficientov prenosa toka v p — n — p in n — p — n tranzistorjih, ki so prisotni v strukturi, do sprememb v upornosti regije itd. Čeprav se načeloma IGBT tranzistorji lahko uporabljajo za delovanje v linearnem načinu, se večinoma uporabljajo v ključnem načinu.
V tem primeru so spremembe napetosti stikala označene s krivuljami, prikazanimi na sl.
riž. 3. Sprememba padca napetosti Uke in toka Ic tranzistorja IGBT
riž. 4. Ekvivalentni diagram tranzistorja tipa IGBT (a) in njegove tokovno-napetostne karakteristike (b)
Študije so pokazale, da za večino tranzistorjev IGBT časi vklopa in izklopa ne presegajo 0,5 - 1,0 μs. Da bi zmanjšali število dodatnih zunanjih komponent, se v tranzistorje IGBT uvedejo diode ali se izdelajo moduli, sestavljeni iz več komponent (slika 5, a - d).
riž. 5. Simboli modulov IGBT-tranzistorjev: a — MTKID; b - MTKI; c — M2TKI; d — MDTKI
Simboli IGBT tranzistorjev vključujejo: črko M — brezpotencialni modul (osnova je izolirana); 2 — število ključev; črke TCI — bipolarne z izoliranim pokrovom; DTKI — Dioda/bipolarni tranzistor z izoliranimi vrati; TCID — bipolarni tranzistor/dioda z izoliranimi vrati; številke: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — največji tok; številke: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — največja napetost med kolektorjem in oddajnikom Uke (* 100V). Na primer, modul MTKID-75-17 ima UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Doktor tehničnih znanosti, profesor L.A. Potapov