IGBT транзистор. Igbt транзисторы принцип работы

Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Некоторые вопросы эксплуатации IGBT силовых модулей

Быстрое развитие отечественного рынка энергосберегающих приводов определяет большой интерес производителей электронного оборудования к разработкам и производству преобразователей частоты (ПЧ) на основе IGBT-модулей. При этом некоторые производители, не имеющие достаточного опыта в конструировании подобных устройств, сталкиваются с определенными проблемами в применении таких модулей. В данной работе представлены наиболее часто встречающиеся случаи выходов приборов из строя. Приведены результаты исследований причин и условий, при которых в модулях происходит пробой транзисторов и диодов, даны рекомендации по монтажу и эксплуатации, позволяющие предотвратить выход IGBT-модулей из строя.

Энергосберегающие технологии на основе регулируемого электропривода все шире внедряются в различные отрасли промышленности и в транспортных средствах. В последнее время наиболее популярными и используемыми силовыми ключами для преобразователей частоты асинхронных двигателей стали IGBT-модули.

Общеизвестно, что использование в схемах преобразователей быстродействующих полностью управляемых мощных ключей на основе IGBT позволяет преобразовывать электроэнергию на высоких частотах, снизить общие потери в преобразователях, применить современные системы управления, снизить массу и габариты устройств.

Конструкция и параметры IGBT-модулей постоянно совершенствуются, повышается устойчивость и «живучесть» модулей при жестких условиях эксплуатации и в аварийных режимах. Однако как показывает опыт работы с потребителями, многие разработчики и изготовители аппаратуры не учитывают некоторые особенности этих приборов, что зачастую приводит к неправильной эксплуатации IGBT-модулей и выходу их из строя.

В статье приведены результаты исследований причин выхода их из строя, выявленные при испытаниях или при эксплуатации потребителями. Мы постарались не только перечислить наиболее частые случаи, но и описать характерные признаки повреждения модулей. Одним из главных моментов публикации является также описание мер безопасности при применении IGBT-модулей.

Во всех случаях, когда речь идет не о механическом или электростатическом повреждении IGBT, все выходы модулей из строя происходят из-за теплового воздействия, разными являются только причины такого воздействия.

Рис. 1. Схема трехфазного инвертора

Чаще IGBT-модули используются в инверторах, где транзисторы соединены по схеме полумоста (рис. 1), и импульсных источниках питания, где используются IGBT-модули, собранные по схеме чоппера (рис. 2).

Рис. 2. Схема импульсного источника питания

Рассмотрим наиболее распространенные случаи выхода IGBT-модулей из строя в этих схемах.

«Жесткое» выключение сквозного тока (тока короткого замыкания)

Самый распространенный и требующий наиболее тщательного рассмотрения случай — выход из строя модулей в результате воздействия сквозного тока в схеме полумоста инвертора. Как известно, сквозной ток (рис. 1) появляется вследствие несанкционированного одновременного включения обоих транзисторов полумоста. К появлению сквозного тока приводят следующие причины:

• малое «мертвое» время;
• сбой в системе управления или ложное включение драйвера в результате электромагнитной помехи;
• неисправность драйверов;
• ненадежные контакты в цепи управления (обрыв цепи управления).

Режим сквозного тока является самым тяжелым для IGBT, так как в этом случае одновременно с приложенным высоким напряжением между коллектором и эмиттером через транзистор протекает большой ток. Например, для стандартных IGBT(NPT) с напряжением коллектор-эмиттер 1200 В при напряжении затвор-эмиттер + 15 В величина сквозного тока достигает пяти-, шестикратного значения относительно максимально допустимого постоянного тока коллектора. Из-за большой пиковой мощности, выделяющейся на транзисторе, длительность тока короткого замыкания должна быть ограничена и для большинства IGBT-модулей не должна превышать 10 мкс.

Во многих преобразователях для диагностики тока перегрузки используется известный метод отслеживания напряжения насыщения транзистора: сигнал выключения поступает на затвор транзистора через 2–4 мкс после появления тока перегрузки. Следующий за этим процесс выключения играет большую роль для безопасного выхода транзистора из режима короткого замыкания.

Зачастую конструкция силовой части схемы, а именно силовых шин между фильтром питания преобразователя и инвертором, имеет достаточно большую индуктивность. Силовая разводка изготавливается потребителями не в виде низкоиндуктивных плоскопараллельных шин, разделенных изолятором, а выполняется из стандартной медной полосы толщиной от 1 до 5 мм, индуктивность которой достигает 0,5–1 мкГн и более. С целью подавления перенапряжений при выключении IGBT-модулей в нормальном режиме работы используются RC- или RCD-снабберы, которые ограничивают напряжение коллектор-эмиттер и рассеивают часть энергии потерь при выключении модуля.

Иная картина возникает при выключении тока короткого замыкания. В этом случае скорость спада тока при быстром запирании транзистора может достигать очень больших значений (более 1000 А/мкс), вследствие чего на шинах возникают индуктивные пики перенапряжений, от которых не спасают маломощные снабберные цепи.

Как правило, IGBT-модули представляют собой два или более соединенных параллельно транзисторных элемента. При пробое модуля от перенапряжений в результате резкого выключения тока короткого замыкания в подавляющем большинстве случаев повреждаются все транзисторные кристаллы в обоих ключах полумоста (рис. 3). При этом ток увеличивается до такого значения, когда начинает разрушаться алюминиевая металлизация чипов, алюминиевая проволока, с помощью которой производилась разводка силовых и управляющих цепей внутри модуля, расплавляется, и окончательно разрушается эмиттерный контакт.

Рис. 3. Повреждение кристаллов IGBT в результате воздействия сквозного тока

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

История появления БТИЗ.

Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.

Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.

Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.

Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (I_{кэ max}), а рабочее напряжение (U_{кэ max}) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.

Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.

Преимущества IGBT транзисторов

• Высокая плотность тока.
• Практически отсутствие потерь статического и динамического типа.
• Отсутствие управляющего тока позволяет не прибегать к использованию гальванически изолированных схем для работы и управления с применением дискретных элементов и предоставляет возможность создания интегральных схем – драйверов.
• Стойкость к воздействию короткого замыкания.
• Относительная простота параллельного соединения.

При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока. Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Применение IGBT модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

Линейка 600 В IGBT-транзисторов Trench 6-го поколения

Семейство 600-вольтовых Trench IGBT в первую очередь ориентировано на использование в UPS-источниках и преобразователях солнечной энергии мощностью до 3 кВт. Силовые приборы этого семейства могут также служить эффективной заменой аналогичных IGBT-транзисторов в системах управления приводом компрессоров в холодильниках, индукционных системах нагрева, а также в приводах мощных вентиляторов. Приборы позволяют на 30% снизить мощность рассеивания по сравнению с IGBT других типов. Компания разработала линейку из 8 приборов в корпусах TO-220TO-247, с рабочим напряжением 600 В и токами 4-48 А.

Для всех типов данных транзисторов используются кристаллы толщиной 70 мкм. Гарантированное время выдержки режима короткого замыкания — не менее 5 мкс для всех типов линейки.

Все корпусированные приборы выполнены по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипараллельный ультрабыстрый диод). Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Тип транзистора

I_max (25 °С), A

I_max

(100 °C), A

V_ce (175 °C), В

E_ts (175 °C), мкДж

R_th(j-c), °C/Вт

Выход из строя обратных диодов модулей происходит, как правило, из-за перегрузки прямым током. Если на выходной вольт-амперной характеристике транзистора имеется участок стабилизации тока, а на прямой ВАХ диода такой участок отсутствует, то в одинаковых условиях ток перегрузки через диод может быть в несколько раз больше, чем через транзистор.

Содержание

До 70-х годов XX века в качестве силовых полупроводниковых приборов, помимо тиристора, использовались биполярные транзисторы. Их эффективность была ограничена несколькими недостатками:

• необходимость большого тока базы для включения;
• наличие токового «хвоста» при запирании, поскольку ток коллектора не спадает мгновенно после снятия тока управления — появляется сопротивление в цепи коллектора, и транзистор нагревается;
• зависимость параметров от температуры;
• напряжения насыщения цепи коллектор-эмиттер ограничивает минимальное рабочее напряжение.

С появлением полевых транзисторов, выполненных по технологии МОП (англ. MOSFET ), ситуация изменилась. В отличие от биполярных, полевые транзисторы:

• управляются не током, а напряжением;
• их параметры не так сильно зависят от температуры;
• их рабочее напряжение теоретически не имеет нижнего предела благодаря использованию многоячеистых СБИС;
• имеют низкое сопротивление канала (до единиц миллиом);
• могут работать в широком диапазоне токов (от миллиампер до сотен ампер);
• имеют высокую частоту переключения (сотни килогерц и больше);
• высокие рабочие напряжения при больших линейных и нагрузочных изменениях, тяжёлых рабочих циклах и низких выходных мощностях.

Полевые МОП-транзисторы легко управляются, что свойственно транзисторам с изолированным затвором, и имеют встроенный диод утечки для ограничения случайных бросков тока. Типичные применения этих транзисторов — разнообразные импульсные преобразователи напряжения с высокими рабочими частотами, и даже аудио усилители (так называемого класса D).

Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР в НИИ «Пульсар» (разработчик Бачурин В. В.) в 1973 г., а их ключевые свойства исследованы в Смоленском филиале МЭИ (научный руководитель Дьяконов В. П.) 1 . В рамках этих работ в 1979 г. были предложены составные транзисторы с управлением мощным биполярным транзистором от полевого транзистора с изолированным затвором. Было показано, что выходные токи и напряжения составных структур определяются биполярным транзистором, а входные — полевым. Было доказано, что биполярный транзистор в ключе на составном транзисторе не насыщается, что резко уменьшает задержку при выключении ключа 2 , были показаны достоинства таких транзисторов в роли силовых ключей 3 . На «полупроводниковый прибор, выполненный в виде единой структуры, содержащей мощный биполярный транзистор на поверхности которого создан полевой транзистор с V-образным изолированным затвором» получено авторское свидетельство СССР.

Позднее, в 1985 г., был разработан биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) с полностью плоской структурой (без V-канала) и более высокими рабочими напряжениями. Это произошло почти одновременно в лабораториях фирм General Electric в городе Schenectady (штат Нью-Йорк) и в RCA в Princeton (Нью-Джерси). Первоначально устройство называли COMFET, GEMFET или IGFET. В прошлом десятилетии когда? приняли название IGBT. Это устройство имеет:

• малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
• характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
• управление как у MOSFET — напряжением.

Применение

Основное применение IGBT — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение IGBT модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

IGBT применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт). IGBT используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее 20 кГц), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота — до 50 кГц).

IGBT и MOSFET занимают диапазон средних мощностей и частот, частично «перекрывая друг друга». В общем случае, для высокочастотных низковольтных каскадов наиболее подходят MOSFET, а для высоковольтных мощных — IGBT.

В некоторых случаях IGBT и MOSFET полностью взаимозаменяемы, цоколевка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12—15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения. Но «управляемый напряжением» не значит, что схеме управления не нужен источник тока. Затвор IGBT или MOSFET для управляющей схемы представляет собой конденсатор с величиной емкости, достигающей тысяч пикофарад (для мощных устройств). Драйвер затвора должен «уметь» быстро заряжать и разряжать эту емкость, чтобы гарантировать быстрое переключение транзистора.