Ce este IGBT: caracteristici de lucru, de comutare, SOA, rezistor de poartă, formule

IGBT înseamnă Tranzistor bipolar cu poartă izolată , un semiconductor de putere care include caracteristicile unui MOSFET viteza mare, comutarea porții dependente de tensiune și proprietățile minime ale rezistenței la pornire (tensiune scăzută de saturație) a BJT .

Figura 1 prezintă un circuit echivalent IGBT, unde un tranzistor bipolar funcționează cu un arhitect de poartă MOS, în timp ce circuitul IGBT similar este de fapt un amestec de tranzistor MOS și tranzistor bipolar.

IGBT-urile, promițătoare de viteză de comutare rapidă, împreună cu caracteristici minime de tensiune de saturație, sunt utilizate într-o gamă extinsă, de la aplicații comerciale, cum ar fi unitățile de exploatare a energiei solare și sursa de alimentare neîntreruptibilă (UPS), până la câmpurile electronice de consum, cum ar fi controlul temperaturii pentru blaturi de incalzire cu inductie , echipamente de aer condiționat PFC, invertoare și stroboscoape pentru camere digitale.

Figura 2 de mai jos dezvăluie o evaluare între IGBT, tranzistorul bipolar și aspectele și atributele interne MOSFET. Cadrul fundamental al IGBT este același cu cel al unui MOSFET având un strat p + pus în secțiunea de scurgere (colector) și, de asemenea, o joncțiune pn suplimentară.

Datorită acestui fapt, ori de câte ori purtătorii minoritari (găuri) tind să fie introduși prin stratul p + pe stratul n cu modulație de conductivitate, rezistența stratului n se reduce dramatic.

În consecință, IGBT oferă o reducere tensiunea de saturație (rezistență la pornire mai mică) în comparație cu un MOSFET atunci când faceți față unui curent imens, permițând astfel pierderi minime de conducere.

Acestea fiind spuse, având în vedere că pentru traseul de ieșire al găurilor, acumularea transportatorilor minoritari la perioadele de oprire este interzisă datorită designului IGBT special.

Această situație dă naștere unui fenomen cunoscut sub numele de curentul de coadă , în care oprirea este încetinită. Când se dezvoltă curentul de coadă, perioada de comutare devine întârziată și întârziată, mai mult decât cea a unui MOSFET, rezultând o creștere a pierderilor de timp de comutare, în timpul perioadelor de oprire IGBT.

Evaluări maxime absolute

Specificațiile maxime absolute sunt valorile desemnate pentru a garanta aplicarea sigură și solidă a IGBT.

Trecerea acestor valori maxime absolute specificate chiar momentan poate duce la distrugerea sau defectarea dispozitivului, prin urmare, asigurați-vă că lucrați cu IGBT în cadrul valorilor maxime tolerabile, așa cum este sugerat mai jos.

Informații despre aplicație

Chiar dacă parametrii de aplicare recomandați, cum ar fi temperatura de lucru / curent / tensiune, etc. sunt menținuți în valorile maxime absolute, în cazul în care IGBT este frecvent supus unei sarcini excesive (temperatură extremă, curent mare / tensiune de alimentare, fluctuații extreme de temperatură etc.), durabilitatea dispozitivului poate fi grav afectată.

caracteristici electrice

Următoarele date ne informează cu privire la diferitele terminologii și parametri implicați în IGBT, care sunt utilizați în mod normal pentru a explica și a înțelege în detaliu funcționarea unui IGBT.

Curent colector, Disipare colector : Figura 3 demonstrează forma de undă a temperaturii de disipare a colectorului IGBT RBN40H125S1FPQ. Disiparea maximă tolerabilă a colectorului este afișată pentru diferite temperaturi diferite ale carcasei.

Formula prezentată mai jos devine aplicabilă în situațiile în care temperatura ambiantă TC = 25 grade Celsius sau mai mult.

Pc = (Tjmax - Tc) / Rth (j - c)

Pentru condițiile în care temperatura ambiantă TC este = 25 ℃ sau mai mică, disiparea colectorului IGBT se aplică în conformitate cu valoarea maximă absolută a acestora.

Formula pentru calcularea curentului colector al unui IGBT este:

Ic = (Tjmax - Tc) / Rth (j - c) × VCE (sat)

Cu toate acestea, cea de mai sus este formula generală, este pur și simplu un calcul al temperaturii al dispozitivului.

Curentul colector al IGBT este determinat de tensiunea de saturație a colectorului / emițătorului VCE (sat) și, de asemenea, în funcție de condițiile de curent și temperatură.

În plus, curentul de colector (vârf) al unui IGBT este definit de cantitatea de curent pe care o poate gestiona, care este la rândul ei dependentă de modul în care este instalat și de fiabilitatea acestuia.

Din acest motiv, se recomandă utilizatorilor să nu depășească niciodată limita maximă tolerabilă de IGBT în timp ce le utilizează într-o aplicație de circuit dată.

Pe de altă parte, chiar dacă curentul colectorului poate fi mai mic decât valoarea maximă a dispozitivului, acesta ar putea fi restricționat de temperatura de joncțiune a unității sau de zona de funcționare sigură.

Prin urmare, asigurați-vă că luați în considerare aceste scenarii în timp ce implementați un IGBT. Atât parametrii, curentul colectorului, cât și disiparea colectorului sunt de obicei desemnați ca valori maxime ale dispozitivului.

Zona de operare sigură

SOA al unui IGBT constă dintr-un SOA de polarizare directă și un SOA de polarizare inversă, totuși, deoarece gama specifică de valori ar putea diferi în conformitate cu specificațiile dispozitivului, utilizatorii sunt sfătuiți să verifice echivalentul faptelor din fișa tehnică.

Zonă de operare sigură cu polarizare directă

Figura 5 ilustrează zona de funcționare sigură a polarizării directe (FBSOA) a IGBT RBN50H65T1FPQ.

SOA este împărțit în 4 regiuni, în funcție de anumite limitări, după cum se arată mai jos:

• Aria restricționată de cel mai mare curent de impulsuri ale colectorului nominal IC (vârf).
• Zona restricționată de regiunea de disipare a colectorului
• Zona restricționată de defalcarea secundară. Amintiți-vă că acest tip de defecțiune face ca zona de operare sigură a unui IGBT să devină mai îngustă, cu excepția cazului în care dispozitivul prezintă o marjă de avarie secundară.
• Zona limitată de colector maxim la tensiunea emițătorului VCES.

Zona de operare sigură cu polarizare inversă

Figura 6 demonstrează zona de funcționare sigură de polarizare inversă (RBSOA) a IGBT RBN50H65T1FPQ.

Această caracteristică particulară funcționează în conformitate cu polarizarea inversă SOA a tranzistorului bipolar.

Ori de câte ori o polarizare inversă, care nu include nici o polarizare, este furnizată peste poartă și emițătorul IGBT în timpul perioadei de oprire pentru o sarcină inductivă, găsim o tensiune înaltă care este livrată către colector-emițătorul IGBT.

În același timp, un curent mare se mișcă constant ca urmare a găurii reziduale.

Acestea fiind spuse, în această funcționare nu poate fi utilizat SOA de polarizare directă, în timp ce SOA de polarizare inversă poate fi utilizat.

SOA de polarizare inversă este împărțit în 2 zone restricționate, așa cum se explică în următoarele puncte, în cele din urmă zona este stabilită prin validarea procedurilor reale de funcționare ale IGBT.

1. Zonă restricționată de curentul maxim al colectorului de vârf Ic (vârf).
2. Zona restricționată de valoarea nominală maximă de defecțiune a tensiunii colector-emițător VCES. Observați că IGBT se poate deteriora dacă o traiectorie specifică de funcționare VCEIC se îndepărtează de specificațiile SOA ale dispozitivului.

Prin urmare, în timp ce proiectam un circuit bazat pe IGBT , trebuie să se asigure că disiparea și alte probleme de performanță sunt conform limitelor recomandate, precum și caracteristicile specifice și constantele de defecțiune a circuitului relevante pentru toleranța la defecțiune trebuie să fie luate în considerare.

De exemplu, polarizarea inversă SOA poartă o caracteristică de temperatură care scade la temperaturi extreme, iar locusul de funcționare VCE / IC se deplasează în conformitate cu rezistența de poartă IGBT Rg și tensiunea de poartă VGE.

De aceea, este vital să se determine parametrii Rg și VGE în raport cu ecosistemul de lucru și cu cea mai mică valoare a rezistenței porții în timpul perioadelor de oprire.

În plus, un circuit snubber ar putea fi util pentru controlul VCE dv / dt.

Caracteristici statice

Figura 7 indică caracteristicile de ieșire ale IGBT RBN40H125S1FPQ. Imaginea reprezintă tensiunea colector-emițător în timp ce curentul colectorului trece într-o situație de tensiune a porții aleatorii.

Tensiunea colector-emițător, care afectează eficiența curentului de manipulare și pierderea în timpul stării de pornire, variază în funcție de tensiunea porții și temperatura corpului.

Toți acești parametri trebuie luați în considerare la proiectarea unui circuit driver IGBT.

Curentul crește ori de câte ori VCE atinge valorile de la 0,7 la 0,8 V, deși acest lucru se datorează tensiunii directe a joncțiunii PN colector-emițător PN.

Figura 8 demonstrează tensiunea de saturație a colectorului-emițător față de caracteristicile tensiunii de poartă ale IGBt RBN40H125S1FPQ.

În esență, VCE (sat) începe să scadă odată cu creșterea tensiunii VGE-emițător, deși schimbarea este nominală în timp ce VGE = 15 V sau mai mare. Prin urmare, este recomandat să lucrați cu o tensiune VGE de poartă / emițător de aproximativ 15 V, ori de câte ori este posibil.

Figura 9 prezintă caracteristicile curentului colectorului față de tensiunea porții ale IGBT RBN40H125S1FPQ.

Caracteristicile IC / VGE se bazează pe schimbări de temperatură, totuși regiunea tensiunii de poartă scăzute spre punctul de intersecție, tind să fie coeficient de temperatură negativ, în timp ce regiunea de tensiune de poartă înaltă semnifică coeficienți de temperatură pozitivi.

Având în vedere că IGBT-urile de energie vor genera căldură în timpul funcționării, este de fapt mai avantajos să acordați atenție regiunii coeficientului pozitiv de temperatură, în special când dispozitivele sunt acționate în paralel .

starea recomandată a tensiunii porții folosind VGE = 15V prezintă caracteristicile pozitive ale temperaturii.

Figurile 10 și 11 demonstrează modul în care performanța tensiunii de saturație colector-emițător, împreună cu tensiunea pragului porții
ale unui IGBT sunt dependente de temperatură.

Datorită faptului că tensiunea de saturație colector-emițător are caracteristici de coeficient de temperatură pozitive, nu este ușor să treacă curentul în timp ce operațiunea IGBT disipează o cantitate mare de temperatură, care devine responsabilă pentru blocarea curentului efectiv în timpul funcționării paralele IGBT.

Dimpotrivă, funcționarea tensiunii pragului emițătorului poartă se bazează pe caracteristici de temperatură negative.

În timpul disipării mari a căldurii, tensiunea pragului cade în jos, cauzând o posibilitate mai mare de funcționare defectuoasă a dispozitivului rezultat din generarea de zgomot.

Prin urmare, testarea atentă, centrată în jurul caracteristicilor specificate mai sus, poate fi crucială.

Caracteristici de capacitate a porții

Caracteristici de încărcare: Figura 12 demonstrează caracteristicile de încărcare a porții unui dispozitiv IGBT stabdard.

Caracteristicile porții IGBT sunt în esență în conformitate cu aceleași principii aplicate pentru MOSFET-urile de putere și oferă ca variabile care decid curentul dispozitivului și disiparea acestuia.

Figura 13 dezvăluie curba caracteristică, împărțită în perioadele 1-3.
Procedurile de lucru legate de fiecare perioadă sunt explicate mai jos.

Perioada 1: Tensiunea porții este crescută până la tensiunea de prag unde curentul începe să curgă.

Secțiunea ascendentă de la VGE = 0V este porțiunea responsabilă pentru încărcarea capacității Cge-emițător de poartă.

Perioada 2: În timp ce se face tranziția de la regiunea activă la regiunea de saturație, tensiunea colector-emițător începe să se modifice și capacitatea Cgc a colectorului poartă se încarcă.

Această perioadă specială vine cu o creștere notabilă a capacității datorită efectului oglindă, care face ca VGE să devină constantă.

Pe de altă parte, în timp ce un IGBT este în întregime în starea ON, schimbarea tensiunii în colector-emițător (VCE) și efectul oglindă dispar.

Perioada 3: În această perioadă anume IGBT intră într-o stare complet saturată și VCE nu prezintă modificări. Acum, tensiunea emițătorului de poartă VGE începe să crească cu timpul.

Cum se determină curentul unității de poartă

Curentul de acționare a porții IGBT depinde de rezistența internă a porții Rg, rezistența sursei de semnal Rs a circuitului driverului, elementul rg care este rezistența internă a dispozitivului și tensiunea de acționare VGE (ON).

Curentul unității de poartă este calculat utilizând următoarea formulă.

IG (vârf) = VGE (pornit) / Rg + Rs + rg

Ținând cont de cele de mai sus, circuitul de ieșire al driverului IGBT ar trebui creat, asigurând un potențial de acționare curent echivalent sau mai mare decât IG (vârf).

De obicei, curentul de vârf se întâmplă să fie mai mic decât valoarea determinată folosind formula, din cauza întârzierii implicate într-un circuit de conducător și, de asemenea, a întârzierii în creșterea dIG / dt a curentului de poartă.

Acestea pot apărea din cauza unor aspecte precum inductanța cablării de la circuitul de acționare la punctul de conectare a porții dispozitivului IGBT.

În plus, proprietățile de comutare pentru fiecare pornire și oprire pot fi extrem de dependente de Rg.

În cele din urmă, acest lucru poate afecta timpul de comutare și deficitul de comutare. Este crucial să alegeți un Rg potrivit în ceea ce privește caracteristicile dispozitivului în utilizare.

Calculul pierderii de unitate

Pierderile care apar în circuitul driver IGBT pot fi descrise prin formula dată mai jos dacă toate pierderile dezvoltate din circuitul driverului sunt absorbite de factorii de rezistență discutați mai sus. ( f indică frecvența de comutare).

P (Drive Loss) = VGE (activat) × Qg × f

Caracteristici de comutare

Având în vedere că IGBT este o componentă de comutare, pornirea sa, viteza de oprire este printre principalii factori care afectează eficiența (pierderea) de funcționare.

Figura 16 demonstrează circuitul care poate fi utilizat pentru măsurarea comutării sarcinii de inductanță a unui IGBT.

Deoarece clema diodei este conectată în paralel cu sarcina inductivă L, întârzierea pornirii IGBT (sau pierderea la pornire) este de obicei afectată de caracteristicile timpului de recuperare a diodei.

Timp de comutare

Timpul de comutare al unui IGBT, așa cum este afișat în Figura 17, poate fi clasificat în 4 perioade de măsurare.

Datorită faptului că timpul se schimbă drastic pentru fiecare perioadă în ceea ce privește situațiile Tj, IC, VCE, VGE și Rg, această perioadă este evaluată cu următoarele condiții prezentate.

• td (pornit) (timp de întârziere la pornire) : Momentul de timp de la care tensiunea emițătorului de poartă se extinde la 10% din tensiunea de polarizare directă până la un nivel până când curentul colectorului crește la 10%.
• tr (timp de creștere) : Momentul de timp de la care curentul colectorului crește de la 10% la 90%.
• td (off) (timp de întârziere la oprire) : Punctul de timp de la care tensiunea emițătorului de poartă atinge 90% din tensiunea de polarizare directă până la un nivel până când curentul colectorului scade la 90%.
• tf (timp de toamnă) : Momentul de timp de la care curentul colectorului se reduce de la 90% la 10%.
• coadă (timp de coadă) : Perioada de oprire IGBT constă într-un timp de coadă (coadă). Aceasta poate fi definită ca timpul consumat de restul purtătorilor rămași pe partea colectorului IGBT pentru a se retrage prin recombinare, în ciuda opririi IGBT și a creșterii tensiunii colector-emițător.

Caracteristici ale diodei încorporate

Spre deosebire de MOSFET-urile de putere, IGBT nu implică o diodă parazită .

Ca urmare, un IGBT integrat care vine cu un cip preinstalat Fast Recovery Diode (FRD) este utilizat pentru controlul încărcării inductanței în motoare și aplicații identice.

În aceste tipuri de echipamente, eficiența de lucru atât a IGBT cât și a diodei preinstalate are un impact semnificativ asupra eficienței de lucru a echipamentelor și asupra generării de interferențe de zgomot.

În plus, recuperarea inversă și calitățile de tensiune directă sunt parametri cruciale legați de dioda încorporată.

Caracteristici de recuperare inversă a diodei încorporate

Purtătorii minoritari concentrați sunt descărcați în timpul stării de comutare exact atunci când curentul înainte trece prin diodă până când starea elementului invers este atinsă.

Timpul necesar pentru ca acești transportatori minoritari să fie eliberați complet este cunoscut ca timpul de recuperare inversă (trr).

Curentul operațional implicat în acest timp este denumit curent de recuperare inversă (Irr), iar valoarea integrală a acestor două intervale este cunoscută sub numele de încărcare de recuperare inversă (Qrr).

Qrr = 1/2 (Irr x trr)

Având în vedere că perioada de timp trr este scurtcircuitată în mod echivalent, aceasta implică o pierdere imensă.

În plus, restricționează frecvența pe tot parcursul procesului de comutare. În general, trr rapid și Irr redus (Qrris mic) este considerat optim.

Aceste calități depind în mare măsură de curentul de polarizare directă IF, diF / dt și temperatura de joncțiune Tj a IGBT.

Pe de altă parte, dacă trr devine mai rapid, di / dt are ca rezultat să fie mai abrupt în perioada de recuperare, așa cum se întâmplă cu tensiunea corespunzătoare colector-emițător dv / dt, ceea ce determină o creștere a înclinației pentru generarea de zgomot.

Următoarele sunt exemplele care oferă modalități prin care se poate contracara generarea de zgomot.

1. Reduceți diF / dt (reduceți timpul de pornire IGBT).
2. Includeți un condensator snubber pe colector și emițătorul dispozitivului pentru a minimiza tensiunea colector-emițător dv / dt.
3. Înlocuiți dioda încorporată cu o diodă de recuperare moale.

Proprietatea de recuperare inversă se bazează semnificativ pe capacitatea de toleranță a tensiunii / curentului dispozitivului.

Această caracteristică ar putea fi îmbunătățită folosind managementul duratei de viață, difuzie metalică puternică și diverse alte tehnici.

Caracteristici ale tensiunii directe a diodei încorporate

Figura 19 prezintă caracteristicile de ieșire ale diodei încorporate a unui IGBT standard.

Tensiunea directă a diodei VF semnifică scăderea tensiunii produse atunci când curentul IF prin diodă rulează în direcția căderii de tensiune înainte a diodei.

Deoarece această caracteristică poate duce la pierderi de putere în cursul generării EMF înapoi (diodă cu roți libere) în aplicații cu motor sau inductive, se recomandă selectarea VF mai mică.

În plus, așa cum este descris în Figura 19, caracteristicile coeficientului de temperatură pozitiv și negativ sunt determinate de magnitudinea curentă înainte a diodei IF.

Caracteristici ale rezistenței termice

Figura 20 prezintă caracteristicile de rezistență ale IGBT împotriva tranzitorilor termici și a diodei integrate.

Această caracteristică este utilizată pentru determinarea temperaturii de joncțiune Tj a IGBT. Lățimea impulsului (PW) afișată peste axa orizontală semnifică timpul de comutare, care definește impulsul cu o singură lovitură și rezultatele operațiilor repetitive.

De exemplu, PW = 1ms și D = 0.2 (duty cycle = 20%) înseamnă că frecvența de repetare este de 200Hz, deoarece perioada de repetare este T = 5ms.

Dacă ne imaginăm PW = 1ms și D = 0,2 și puterea de disipare Pd = 60W, este posibil să se determine creșterea temperaturii joncțiunii IGBT ΔTj în modul următor:
ΔTj = Pd × θj - c (t) = 60 × 0,17 = 10,2

Caracteristici de scurtcircuit de încărcare

Aplicații care necesită circuite de comutare IGBT conectate, cum ar fi invertoarele, un circuit de protecție împotriva scurtcircuitului (supracurent) devine imperativ pentru a rezista și a proteja împotriva daunelor în timpul până când tensiunea porții IGBT este oprită, chiar și în situația unui scurtcircuit de ieșire al unității .

Figura 21 și 22 indică timpul de rulment al scurtcircuitului și capacitatea de manipulare a curentului de scurtcircuit al IGBT RBN40H125S1FPQ.

Această capacitate de rezistență la scurtcircuit a unui IGBT este de obicei exprimată în ceea ce privește timpul tSC.

Această capacitate de rezistență este determinată în principal pe baza tensiunii emițătorului de poartă IGBT, a temperaturii corpului și a tensiunii de alimentare.

Acest lucru ar trebui analizat în timp ce se proiectează un design critic al circuitului IGBT cu punte H.

În plus, asigurați-vă că optați pentru un dispozitiv IGBT optim evaluat în ceea ce privește următorii parametri.

1. Tensiunea VGE a emițătorului de poartă : Cu o creștere a tensiunii porții, curentul de scurtcircuit crește și capacitatea de manipulare a curentului dispozitivului scade.
2. Temperatura cazului : Cu o creștere a temperaturii carcasei ΔTj a IGBT, capacitatea de rezistență curentă scade, până când dispozitivul ajunge la situația de defecțiune. Tensiunea de alimentare
3. VCC: Pe măsură ce tensiunea de alimentare a dispozitivului crește, curentul de scurtcircuit crește și cauzează deteriorarea capacității de rezistență la curent a dispozitivului.

Mai mult, în momentul în care circuitul de protecție la scurtcircuit sau la suprasarcină detectează curentul de scurtcircuit și oprește tensiunea porții, curentul de scurtcircuit este de fapt incredibil de mare decât magnitudinea curentului operațional standard al IGBT.

În timpul procesului de oprire cu acest curent substanțial utilizând rezistența standard a porții Rg, ar putea provoca dezvoltarea unei supratensiuni mari, depășind ratingul IGBT.

Din acest motiv, trebuie să selectați în mod adecvat rezistența la poartă IGBT adecvată pentru abordarea condițiilor de scurtcircuit, având cel puțin 10 ori mai mare decât valoarea normală a rezistenței la poartă (totuși rămâneți în interiorul valorii SOA de polarizare directă).

Acest lucru este pentru a contracara generarea de tensiune de supratensiune între ledurile colectoare-emițătoare ale IGBT în perioadele în care curentul de scurtcircuit este întrerupt.

În plus, timpul de rezistență la scurtcircuit tSC poate provoca distribuția supratensiunii între celelalte dispozitive asociate.

Trebuie avut grijă să se asigure o marjă adecvată de cel puțin 2 ori intervalul de timp standard necesar pentru ca circuitul de protecție la scurtcircuit să înceapă să funcționeze.

Temperatura maximă de joncțiune Tjmax pentru 175 ℃

Evaluarea maximă absolută pentru temperatura de joncțiune a majorității dispozitivelor semiconductoare Tj este de 150 ℃, dar Tjmax = 175 ℃ este stabilit conform cerinței pentru dispozitivele de nouă generație pentru a rezista specificațiilor de temperatură crescută.
.
Tabelul 3 afișează un bun exemplu al condițiilor de testare pentru IGBT RBN40H125S1FPQ, care este proiectat să reziste la 175 ℃ în timp ce funcționează la temperaturi ridicate ale carcasei.

Pentru a garanta operațiuni eficiente la Tjmax = 175 ℃, mulți dintre parametrii pentru testul de consistență standard la 150 ℃ au fost îmbunătățiți și s-a efectuat verificarea operațională.

Acestea fiind spuse, terenurile de testare variază în funcție de specificațiile dispozitivului.

Asigurați-vă că validați datele de fiabilitate legate de dispozitivul pe care s-ar putea să îl aplicați, pentru informații suplimentare.

De asemenea, amintiți-vă că valoarea Tjmax nu este doar o restricție pentru funcționarea constantă, ci mai degrabă o specificație pentru reglementare care nu ar trebui depășită nici măcar pentru o clipă.

Siguranța împotriva disipării temperaturilor ridicate, chiar și pentru un moment scurt pentru un IGBT, în timpul comutării ON / OFF trebuie să fie strict luată în considerare.

Asigurați-vă că lucrați cu IGBT într-un mediu care nu depășește în niciun caz temperatura maximă a cazului de defecțiune de Tj = 175 ℃.

Pierderi IGBT

Pierderea conducerii: În timp ce alimentează o sarcină inductivă printr-un IGBT, pierderile suportate sunt practic clasificate în pierderi de conducere și pierderi de comutare.

Pierderea care se întâmplă imediat ce IGBT este pornit complet se numește pierdere de conducere, în timp ce pierderea care are loc în timpul trecerii IGBT de la ON la OFF sau OFF la ON este cunoscută sub numele de pierdere de comutare.

Datorită faptului, pierderea depinde de implementarea tensiunii și curentului, după cum se arată în formula dată mai jos, pierderea apare ca urmare a impactului tensiunii de saturație colector-emițător VCE (sat), chiar și în timp ce dispozitivul este în funcțiune.

VCE (sat) ar trebui să fie minim, deoarece pierderea poate provoca generarea de căldură în cadrul IGBT.
Pierdere (P) = tensiune (V) × curent (I)
Pierdere la pornire: P (pornire) = VCE (sat) × IC

Pierderea de comutare: Deoarece pierderea IGBT poate fi dificilă pentru estimarea utilizând timpul de comutare, tabelele de referință sunt încorporate în fișele tehnice relevante pentru a ajuta proiectanții de circuite să determine pierderile de comutare.

Figura 24 de mai jos demonstrează caracteristicile de pierdere de comutare pentru IGBT RBN40H125S1FPQ.

Factorii Eon și Eoff sunt puternic influențați de curentul colectorului, rezistența porții și temperatura de funcționare.

Eon (pierdere de energie activată)

Volumul de pierdere dezvoltat în timpul procesului de pornire a IGBT pentru o încărcare inductivă, împreună cu pierderea de recuperare la recuperarea inversă a diodei.

Eon este calculat din momentul în care tensiunea porții este alimentată la IGBT și curentul colector începe să călătorească, până la momentul în care IGBT este complet tranzitat la starea ON pornită

Eoff (Oprire pierdere de energie

Este magnitudinea pierderii rezultate în timpul perioadei de oprire a sarcinilor inductive, care include curentul de coadă.

Eoff se măsoară din punctul în care curentul porții tocmai este întrerupt și tensiunea colector-emițător începe să urce, până în momentul în care IGBT atinge o stare complet OPRIT.

rezumat

Dispozitivul cu tranzistor bipolar cu poartă izolată (IGTB) este un tip de dispozitiv semiconductor de putere cu trei terminale, care este utilizat practic ca întrerupător electronic și este, de asemenea, cunoscut pentru furnizarea unei combinații de comutare extrem de rapidă și eficiență ridicată în dispozitivele mai noi.

IGBT pentru aplicații cu curent ridicat

O gamă de aparate moderne, cum ar fi VFD (Vaiable Frequency Drives), VSF (frigidere cu viteză variabilă), trenuri, sisteme stereo cu amplificatoare de comutare, mașini electrice și aparate de aer condiționat utilizează tranzistor bipolar cu poartă izolată pentru comutarea puterii electrice.

Simbolul modului de epuizare IGBT

În cazul în care amplificatoarele utilizează tranzistor bipolar cu poartă izolată sintetizează deseori forme de undă care sunt complexe în natură, împreună cu filtre de trecere joasă și modulare a lățimii impulsurilor, deoarece tranzistorul bipolar cu poartă izolată este conceput practic pentru a porni și opri într-un ritm rapid și rapid.

Rata de repetare a impulsurilor este lăudată de dispozitivele moderne, care constau în comutarea aplicației și se încadrează bine în domeniul ultrasonic, care sunt frecvențe care sunt de zece ori mai mari decât cea mai mare frecvență audio gestionată de dispozitiv atunci când dispozitivele sunt utilizate sub formă de amplificator audio analogic.

MOSFET-urile formate din curent ridicat și caracteristicile unei unități de poartă simple sunt combinate cu tranzistoarele bipolare care au o capacitate de tensiune de saturație redusă de către IGTB.

IGBT sunt o combinație de BJT și Mosfet

Un singur dispozitiv este realizat de IGBT prin combinarea tranzistorului de putere bipolar care acționează ca un comutator și o poartă FET izolată care acționează ca intrare de control.

Tranzistorul bipolar cu poartă izolată (IGTB) este utilizat în principal în aplicații care constă din mai multe dispozitive care sunt plasate în paralel unul cu celălalt și de cele mai multe ori au capacitatea de a manipula curenți foarte mari, care sunt în intervalul de sute de amperi împreună cu o tensiune de blocare de 6000V, care la rândul ei este egală cu sute de kilowați utilizează o putere medie spre mare, cum ar fi încălzirea prin inducție, sursele de alimentare cu comutare și controlul motorului de tracțiune. Tranzistoare bipolare cu poartă izolată de dimensiuni mari.

IGBT-urile sunt cele mai avansate tranzistoare

Tranzistorul bipolar cu poartă izolată (IGTB) este o invenție nouă și recentă a vremii.

Dispozitivele de primă generație, care au fost inventate și lansate în anii 1980 și începutul anilor 1990, s-au dovedit a avea un proces de comutare lent relativ și sunt predispuse la eșec prin diferite moduri, cum ar fi blocarea (unde dispozitivul va continua să fie pornit și să nu se aprindă oprit până când curentul continuă să curgă prin dispozitiv) și defecțiune secundară (unde, atunci când curentul mare curge prin dispozitiv, un hotspot localizat prezent în dispozitiv intră în fuga termică și, ca urmare, arde dispozitivul).

S-au observat multe îmbunătățiri la dispozitivele din a doua generație și cele mai noi dispozitive de pe bloc, dispozitivele din a treia generație sunt considerate chiar mai bune decât dispozitivele din prima generație de tractare.

Noile mosfete concurează cu IGBT-urile

Dispozitivele de generația a treia sunt formate din MOSFET-uri cu viteză de rivalizare și toleranță și rezistență de nivel excelent.

Dispozitivele de a doua și a treia generație sunt formate din impulsuri care sunt extrem de ridicate, ceea ce le face foarte utile pentru a genera impulsuri mari de putere în diferite domenii, cum ar fi fizica plasmei și particulele.

Astfel, a doua și a treia generație de dispozitive au înlocuit în cea mai mare parte toate dispozitivele mai vechi, cum ar fi declanșarea lacunelor și tiratronilor utilizați în aceste zone ale fizicii plasmelor și a particulelor.

Aceste dispozitive atrag, de asemenea, atracția pentru pasionații de înaltă tensiune datorită proprietăților lor de ratinguri de impulsuri ridicate și disponibilitate pe piață la prețuri mici.

Acest lucru îi permite hobbyistului să controleze cantități uriașe de putere pentru a conduce dispozitive precum bobine-gume și bobine Tesla.

Tranzistoarele bipolare cu poartă izolată sunt disponibile la un preț accesibil și acționează astfel ca un factor important pentru mașinile hibride și vehiculele electrice.

Curtoazie: Renesas