Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

19582
Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором

Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Различают две технологии реализации IGBT транзисторов, которые поясняются эквивалентными схемами, приведенными на рис.1а, б, а для маломощных транзисторов – на рис.1, в [2]. Как следует из рис.1, IGBT транзисторы имеют три электрода: эмиттер (э), коллектор (к) и затвор (з).

технологии реализации IGBT транзисторов

Рис.1 Tехнологии реализации IGBT транзисторов

Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии.

Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано "коллектор", а где обозначен коллектор написано "эмиттер". Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=1000В, тока Iмакс≈ 25А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения Uмакс=1600В, Iмакс≈ 50А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=3500В тока Iмакс≈ 100А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:Uмакс=4500В, Iмакс≈ 150А, время переключения tпер.мин≈0.2мкс

Для входного пробивного напряжение Uвх.пр современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное Uвх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2 [1].

 

Табл.1

Тип элемента

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t=25°С

А

Iк при
t=100°С

А

Р


Вт

IRG4BC30FD

600

1,6

31

17

100

IRGBC30MD2

600

3,9

26

16

100

IRG4PC30FD

600

1,6

31

17

100

IRG4PC40FD

600

1,5

49

27

160

IRG4PC50FD

600

1,5

70

39

200

IRGPC40MD2

600

4,0

40

24

160

IRGPC50MD2

600

3,0

59

35

200

IRGPH30MD2

1200

4,5

15

9

100

IRGPH40FD2

1200

4,3

29

17

160

IRGPH40MD2

1200

4,4

31

18

160

IRGPH50FD2

1200

3,9

45

25

200

IRGPH50MD2

1200

3,9

42

23

200

OM6516SC

1000

4,0

25

125

OM6520SC

1000

4,0

25

125

 

Табл.2

Тип модуля

Uкэ

В

Uкэн

В

Iк при
t= 25°С

А

Iк при
t= 100°С

А

Р

Вт

IRGDDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGDDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGDDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGRDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGRDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGRDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGTDN200M06

600

3,0

299

119

1000

IRGTDN300M06

600

3,0

399

159

1316

Где:

  • Uкэ - Напряжение коллектор-эмиттер
  • Uкэн- Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
  • Iк - Постоянный ток коллектора
  • Р - Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения.

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения.

IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

  • Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
  • Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
  • Меньшими потери в режимах импульсных токов.
  • Практически прямоугольной областью безопасной работы.
  • Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
  • Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

 

Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Рис.2 Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным.

У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами.

С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А.

По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс.

Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы.

IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

Управление МОП и IGBT транзисторами

МОП и IGBT транзисторы являются полупроводниковыми приборами, управляемыми напряжением. Из обширного круга вопросов, относящихся к проблеме управления этими приборами, особый интерес представляет наиболее сложный случай управления, который имеет место в мостовой или полумостовой схеме включения с индуктивной погрузкой.

Отметим, что управление транзисторами инверторов можно осуществлять через импульсные высокочастотные трансформаторы, хотя такое управление усложняет конструкцию и принципиальную схему инвертора. Отсутствие тока потребления на управление в статических режимах и низкое общее потребление мощности затворами транзисторов позволяют отказаться от трансформаторных схем питания.

Компаниями-производителями силовых полупроводников выпускается ряд драйверов управления, которые согласовывают маломощную схему управления с выходными транзисторами верхнего и нижнего плеча силового инвертора. Выходные каскады этих драйверов выполняются, как правило, в виде двухтактных усилителей мощности на полевых транзисторах, обеспечивающих импульсный выходной ток до 2 А. Организация питания верхнего плеча инвертора осуществляется по схеме зарядного "насоса", показанной на рис. 3.

Схема питания верхнего плеча инвертора

Рис.3 Схема питания верхнего плеча инвертора

Схемы формирования, гальваническая развязка и усилитель нижнего плеча драйверов получают питание от низковольтного вспомогательного источника питания Uн. При включении транзистора нижнего плеча VT2 (в первом полупериоде работы) диод VD1 открывается и заряжает накопительный конденсатор С1, в дальнейшем питающий усилитель верхнего плеча. В каждом полупериоде при открытом транзисторе VT2 конденсатор C1 подзаряжается, а при открытом транзисторе VT1 питается выходной усилитель верхнего плеча.

В последнее время фирмы-производители полупроводниковых приборов начали выпускать различные драйверы отдельных транзисторов полумостовых и мостовых схем, выдерживающие напряжение до 600 В. В качестве примера приведем наименование некоторых из этих драйверов [3]:

  • IR2125 – драйвер верхнего плеча;
  • IR2110, Н1Р25001Р, PWR 200/201– драйверы полумостового инвертора;
  • IR2130 – драйвер трехфазной мостовой схемы;
  • IR2155 – драйвер полумостового инвертора с автогенератором.

Эти драйверы надежно работают и обеспечивают оптимальные параметры в работе с МОП и IGBT транзисторами. К тому же их стоимость небольшая, а схемы инверторов требуют установки всего лишь одного драйвера и нескольких внешних компонентов.

Переключение больших токов с высокими скоростями переключения сопряжено с рядом трудностей. Для получения надежно работающих устройств основные усилия должны быть направлены на создание конструкции с минимизированными величинами паразитных индуктивностей, которые в случае не принятия специальных мер могут запасать значительное количество энергии в силовых шинах тока и вызывать нежелательные переключения силовых ключей, всплески высокого напряжения, дополнительную мощность рассеяния на силовых транзисторах, ложные срабатывания и т.д.

Микросхема драйвера IR2110 является одной из многих схем, применяемых для полумостовых высоковольтных инверторов. Полумостовой инвертор на IGBT транзисторах показан на рис. 4. Резисторы R2 и R3 служат для уменьшения скорости переключения силовых транзисторов. Дело в том, что управление затворами мощных IGBT или МОП транзисторов непосредственно от драйвера IR2110 или ему аналогичного может привести к нежелательно высоким скоростям переключения.

Реальная конструкция инвертора обладает конечными значениями величин индуктивностей соединений, на которых выделяются всплески напряжений при переключениях плеч, причем чем меньше время переключения, тем больше амплитуда всплеска. Величины резисторов R2 и R3 выбираются таким образом, чтобы фронты переключений не порождали значительных потерь и больших импульсных амплитуд, нарушающих работу инвертора.

Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

Рис.4 Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

На входы 10 и 12 драйвера должны поступать две импульсные последовательности, причем вход 10 управляет транзистором VT1, а вход 12 – транзистором VT2. Вход 11 включает или выключает инвертор и может использоваться для защиты, то есть при подаче напряжения на вход 11 работа преобразователя прекращается.

Драйвер IR2155, позволяющий получить самую простую схему полумостового преобразователя, представляет собой монолитную интегральную схему, способную управлять двумя транзисторами в полумостовом преобразователе. Они могут работать при напряжениях питания до 600 В, имеют четкие формы выходных импульсов с коэффициентами заполнения от 0 до 99 %.

Функциональная схема драйвера IR 2151 показана на рис. 5.

Функциональная схема драйвера IR 2151

Рис.5 Функциональная схема драйвера IR 2151

Драйвер содержит входную часть на операционных усилителях, которая может работать в автогенераторном режиме. Частота определяется дополнительными навесными элементами, подключаемыми к выводам C1, R1. Генераторы паузы на нуле обеспечивают задержки во включении выходного транзистора на 1 мкс после закрытия предыдущего транзистора. В канале верхнего плеча осуществляется гальваническая развязка, далее напряжение усиливается усилителем мощности на полевых транзисторах и выходное напряжение с выхода HO(7) поступает на затвор силового транзистора. Нижнее плечо работает от задающего генератора через генератор паузы на нуле и устройство задержки.

Для обеспечения стабильности работы драйвера внутри имеется стабилитрон, ограничивающий напряжение Vcc(1) на уровне 15 В.

 

Литература

  1. Short form catalog International Rectifier. Product Digest.
  2. В.И. Сенько и др. Электроника и микросхемотехника (на укр. яз.). Том 1. – К.: Обереги, 2000.
  3. М. Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – К.: МК-Прогрес, 2007.
  4. Микросхемы для импульсных источников питания – 3. – М.: Изд. дом "Додека – ХХI", 2002.
Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus