IGBT tranzistory. Zařízení a provoz. Parametry a aplikace

IGBT tranzistory jsou v současnosti velmi oblíbené v elektronice. Pokud tuto zkratku dešifrujete z angličtiny, jedná se o bipolární tranzistor s izolovaným hradlem. Používá se jako elektronický výkonný klíč pro řídicí systémy pohonů mechanismů, v napájecích zdrojích.

IGBT tranzistory

Tento výkonový tranzistor kombinuje vlastnosti bipolárního a polem řízeného tranzistoru. Řídí se přivedením napětí na bránu, která je izolována od obvodu. Charakteristickou vlastností tohoto tranzistoru je nízká hodnota řídicího výkonu, který se využívá pro spínání výkonných výkonových obvodů.

IGBT jsou nejoblíbenější ve silových obvodech frekvenčních měničů a střídavých elektromotorů s výkonem do 1 megawattu. Z hlediska voltampérových vlastností jsou tyto tranzistory podobné bipolárním polovodičovým modelům, ale jejich kvalita a čistota spínání je mnohem vyšší.

Moderní výrobní technologie umožňují optimalizovat tranzistory podle jejich funkčních charakteristik. Již byly vyvinuty polovodiče, které mohou pracovat při vyšších napětích a proudech.

<strong>Základní parametry</strong>

• Řídicí napětí je potenciální rozdíl, který může řídit činnost brány.
• Maximální přípustný proud.
• Průrazné napětí mezi emitorem a kolektorem.
• Vypínací proud emitor-kolektor.
• Saturační napětí emitor-kolektor.
• Vstupní kapacita.
• Výstupní kapacita.
• Parazitní indukčnost.
• Doba zpoždění připojení.
• Doba zpoždění vypnutí.
• Vnitřní odpor.

Regulátory rychlosti využívají IGBT tranzistory s pracovní frekvencí několik desítek kHz.

Hodnota

• Jednoduchý paralelní obvod.
• Žádné ztráty.
• Zvýšená proudová hustota.
• Odolnost proti zkratu.
• Nízké ztráty v otevřené formě.
• Možnost provozu při zvýšených teplotách (nad 100 stupňů).
• Provoz s vysokým napětím (nad 1 kV) a výkonem (více než 5 kW).

Při navrhování obvodů s tranzistory je důležité mít na paměti, že existuje omezení maximálního proudu. K tomuto účelu se používá několik metod:

• Správná volba ochranného proudu.
• Výběr odporu brány.
• Použití bypassových spínacích cest.

<strong>Konstrukce a provoz</strong>

Vnitřní struktura IGBT tranzistorů zahrnuje kaskádu dvou elektronických spínačů, které ovládají konečný výstup.

<img src=”https://electrosam.ru/wp-content/uploads/2017/04/IB-3.jpg” />

Princip činnosti tranzistoru se skládá ze dvou stupňů:

• Když je kladné potenciální napětí přiloženo mezi zdroj a hradlo, tranzistor s efektem pole se otevře a mezi kolektorem a zdrojem se objeví n-kanál.
• Začíná pohyb nabitých elektronů z n-oblasti do p-oblasti, v důsledku čehož se otevře bipolární tranzistor. V důsledku toho proudí elektrický proud z emitoru do kolektoru.

<img src=”https://electrosam.ru/wp-content/uploads/2017/04/IB-4-300×216.jpg” />

IGBT tranzistory se používají k přiblížení zkratových proudů k bezpečné hodnotě. Omezují napětí brány následujícími metodami:

• Vazbou na konkrétní hodnotu napětí. Toho je dosaženo, když má ovladač brány konstantní napětí. Hlavní metodou je přidání diody s nízkým úbytkem napětí (Schottkyho dioda) do obvodu. Významného účinku se dosáhne snížením indukčnosti hradlových a napájecích obvodů.
• Omezení hodnoty napětí hradla pomocí zenerovy diody v obvodu hradla a emitoru. Dobré účinnosti je dosaženo instalací diod na přídavné svorky modulu. Diody se používají s nízkou závislostí rozptylu a teploty.
• Připojení emitoru k obvodu záporné zpětné vazby. Tato metoda je dostupná, když je vysílač ovladače brány připojen ke svorkám vysílače modulu.

<strong>Rozsah použití</strong>

IGBT tranzistory nejčastěji pracují ve vysokonapěťových sítích do 6,5 kilovoltů pro spolehlivý a bezpečný provoz elektroinstalace v nouzovém režimu při zkratech.

Výše uvedené vlastnosti tranzistorů umožňují jejich použití ve frekvenčně řízených pohonech, měničích, pulzních regulátorech proudu a také ve svařovacích strojích.

IGBT se také používají ve výkonných řídicích systémech pohonu elektrických lokomotiv a trolejbusů. To zvyšuje účinnost a zajišťuje hladší jízdu.

Výkonové tranzistory jsou široce používány ve vysokonapěťových obvodech. Jsou součástí obvodů myček nádobí, domácích klimatizací, zapalovacích systémů automobilů a napájecích zdrojů pro telekomunikační zařízení.

<strong>Kontrola stavu</strong>

IGBT tranzistory jsou kontrolovány v případě revize z důvodu poruchy elektrického zařízení. Test se provádí pomocí multi-testeru prozvoněním elektrod emitoru a kolektoru ve dvou směrech, aby se zkontroloval zkrat. Vstupní kapacita emitor-brána musí být nabita záporným napětím. To se provádí krátkým dotykem sondy „COM“ brány se sondou „V/Ω/f“ multimetru sondou emitoru.

Chcete-li provést kontrolu, musíte se ujistit, že tranzistor funguje normálně. K tomu nabijeme kapacitu na vstupu emitor-gate kladným pólem. To se provádí krátkým dotykem brány sondou “V/Ω/f” a emitoru sondou “COM”. Potenciální rozdíl mezi emitorem a kolektorem je monitorován a neměl by překročit 1,5 voltu. Pokud napětí testeru nestačí k otevření tranzistoru, lze vstupní kapacitu nabít ze zdroje napětím až 15 voltů.

<strong>Symbol</strong>

Tranzistory mají kombinovanou strukturu, takže jejich označení jsou vhodná:

<strong>IGBT</strong> <strong>moduly</strong>

Výkonové tranzistory se vyrábějí nejen jako jednotlivé polovodiče, ale také jako moduly. Takové moduly jsou součástí frekvenčních měničů pro řízení elektromotorů.

Obvod frekvenčního měniče má vyšší výrobní technologii, pokud obsahuje IGBT tranzistorové moduly. Zobrazený modul má můstek ze dvou výkonových tranzistorů.

IGBT tranzistory normálně pracují při pracovních frekvencích do 50 kHz. Pokud se frekvence zvýší, pak se zvýší i ztráty. Výkonové tranzistory vykazují své maximální schopnosti při napětích nad 400 V. Proto se takové tranzistory často nacházejí ve výkonných vysokonapěťových elektrických zařízeních a také v průmyslových zařízeních.

<strong>Z historie výskytu</strong>

Tranzistory s efektem pole se začaly objevovat v roce 1973. Poté vyvinuli kompozitní tranzistor, který byl vybaven řízeným tranzistorem pomocí polovodiče s efektem pole s hradlem.

První výkonové tranzistory měly nevýhody, jako pomalé spínání a nízkou spolehlivost. Po 90. letech až do současnosti byly tyto nedostatky odstraněny. Výkonové polovodiče mají zvýšený vstupní odpor, nízkou úroveň řídicího výkonu a nízké zbytkové napětí.

Nyní existují modely tranzistorů schopné spínat proudy až několik set ampér, s provozním napětím tisíců voltů.

Související témata:

• Bipolární tranzistory. Typy a vlastnosti. Práce a zařízení
• Tranzistory s efektem pole. Typy a struktura. Aplikace a funkce
• Tyristory. Typy a zařízení. Provoz a aplikace. Zvláštnosti
• Polovodičová relé. Struktura a provoz. Typy a vlastnosti
• Vlastnosti polovodičů. Zařízení a provoz. Aplikace