Изолированные биполярные транзисторы (IGBT) - полупроводниковые устройства, широко используемые в современной силовой электронике.Сочетание высокой входной импеданции и быстрого переключения MOSFET с низкими потерями проводимости биполярного транзистора, IGBT стали выбором для приложений, требующих эффективного переключения высокого напряжения и высокого тока.

Основная структура и принцип работы

IGBT объединяет три основных региона:

1. Ворота (G):Управляет формированием каналов, как в MOSFET.

2. Сборщик (С) и эмитент (Е):Проводить высокомощный ток, как в биполярном транзисторе.

Когда положительное напряжение наступает на шлюз, электроны накапливаются под оксидом шлюза, чтобы создать проводящий канал.которые затем впрыскивают отверстия из области коллектора p-типа, что приводит к пути низкого сопротивления.Удаление напряжения от порта истощает канал, блокируя ток.

Основные особенности и преимущества

• Высоковольтная способность:IGBT легко справляются с напряжением от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт, что делает их подходящими для промышленных приводов и преобразователей возобновляемой энергии.

• Низкие потери проводки:После включения устройство демонстрирует очень низкое падение напряжения, что означает высокую эффективность при больших нагрузках.

• Быстрое переключение:Хотя они не так быстры, как чистые MOSFET при низких напряжениях, современные IGBT переключаются достаточно быстро (от десятков до сотен наносекунд) для многих приложений PWM (модуляция ширины импульса).

• Прочность:Устойчивы к перенапряжению и короткому замыканию из-за их биполярного характера и способности выдерживать высокие приливы тока в течение короткого времени.

Ограничения

• Текущий хвост:При выключении, хвост носителей заряда замедляет распад тока, немного увеличивая потери переключения и ограничивая максимальную частоту переключения (часто <50 кГц для модулей высокой мощности).

• Термоуправление:Высокая плотность мощности требует эффективного теплопоглощения и тщательной упаковки для поддержания температуры соединения ниже безопасных пределов (обычно < 150 °C).

• Требования к приводу шлюза:IGBT требуют точного управления напряжением шлюза (около +15 В для полного включения и от 5 до 15 В для обеспечения выключения), а схемы драйверов должны обрабатывать сдвиг уровня при высоких напряжениях.

Упаковка и квалификация

IGBT выпускаются в дискретных пакетах (TO-247, TO-264 и т. д.) и в многочипных модулях (IGBT-модулях) для более высоких уровней мощности.

• Блокирующее напряжение (V)_CES):Максимальное напряжение, которое устройство может блокировать при выключении.

• Коллекторный ток (I)_В):Максимальный номинальный непрерывный ток.

• Время переключения (т)_на, t_{отключить}):Задержка включения/выключения.

• Общая потеря мощности (P)_потеря):Сумма потерь проводности и переключения, важная для тепловой конструкции.

Выбор правильного IGBT

При выборе IGBT учитывайте:

• Класс напряжения:Совпадение V_CESк максимальной шине постоянного тока плюс предельный разрыв (например, устройство 1200 В для 700 В шины).

• Нынешний рейтинг:Выберите устройство, чьи постоянные и пиковые токи превышают ваши требования к нагрузке, учитывая понижение температуры.

• Частота переключения:Более низкие частоты (<10 кГц) предпочитают более крупные IGBT с низкими потерями.

• Тепловое сопротивление:Уровень модуля R_Второй(соединение с конкретным предметом) и конструкция упаковки влияют на требования к теплопоглощению.

• Сбор за вход:IGBT с более низким уровнем зарядки требуют меньшего тока привода, упрощая конструкцию драйвера.

Тепловые и защитные соображения

• Теплопоглощение:Используйте подходящие материалы для теплового интерфейса и теплоотводы, размещенные так, чтобы температура соединения оставалась в безопасных пределах.

• Снубберские схемы:RC или RCD снубберы ограничивают всплески напряжения во время выключения и защищают целостность устройства.

• Защита от перенапряжения:Быстрое отключение шлюза или внешние предохранители защищают от короткого замыкания.

• Мягкое выключение:Методы постепенного снижения тока могут предотвратить тепловое напряжение при перегрузке.

Будущие тенденции

В то время как кремниевые IGBT остаются доминирующими, широкополосные материалы, такие как карбид кремния (SiC) MOSFET и нитрид галлия (GaN) транзисторы, появляются.и более высокой температурыТем не менее, для сценариев высокого напряжения и высокого тока, оптимизированные модули IGBT будут продолжать быть экономически эффективными в обозримом будущем.

IGBT играют ключевую роль в системах преобразования мощности, обеспечивая баланс между высоковольтной надежностью и эффективным переключением высокого тока.и требования к применению, инженеры могут выбирать и внедрять решения IGBT, которые максимизируют производительность системы, надежность и экономическую эффективность.