IGBT

Сборка на IGBT для коммутации напряжения до 3300 В и токов до 1200 А.

IGBT (от англ. Insulated-gate bipolar transistor — «биполярный транзистор с изолированным затвором») — силовой электронный прибор, предназначенный, в основном, для управления электрическими приводами. Выпускаются как отдельные IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

История

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 при запирании токового «хвоста», 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:

• управляется 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.) ещё в 1973 г., а их ключевые свойства исследованы в Смоленском филиале МЭИ (научный руководитель Дьяконов В. П.). Обзор этих работ есть в книге Дьяконов В. П. и др. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах — М.: СОЛОН-Пресс, 2002. — 512 с..

В рамках этих работ ещё 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 (см. Дьяконов В. П. и др. Статические вольт-амперные характеристики ненасыщающихся составных транзисторов на биполярных и полевых транзисторах // Известия вузов. Приборостроение. — 1980. — № 4. — С. 6.. В статье тех же авторов "Сильноточные не насыщающиеся ключи на составных транзисторах (журнал «Электронная промышленность», 1981, № 2, с. 56) были показаны достоинства таких транзисторов в роли силовых ключей.

В НИИ «Пульсар» от 15.02.1979 г. была подана заявка на авторское свидетельство СССР (№ 757061 от 21 апреля 1980 г., авторы Бачурин В. В., Дьяконов В. П., Гордеев А. И. и Ремнев А. М.) на «Полупроводниковый прибор», выполненный в виде единой структуры, содержащей мощный биполярный транзистор на поверхности которого создан полевой транзистор с V-образным изолированным затвором.

Намного 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.

IGBT

Структура IGBT-транзистора.

Данный тип приборов создан в начале 1980-х гг, запатентован International Rectifier в 1983. Первые IGBT не получили распространения из-за врождённых пороков — медленного переключения и низкой надёжности. Второе (1990-е гг) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавились от этих пороков. IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

• высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от транзисторов с изолированным затвором
• низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии — от биполярных транзисторов.

Диапазон использования — от десятков А до 1200 А по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению. В диапазоне токов до десятков А и напряжений до 500 В целесообразно применение обычных МДП- (MOSFET-) транзисторов, а не IGBT, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают малым сопротивлением.

Применение

Принципиальная схема IGBT. Данный инвертор можно встретить, например в современных моделях троллейбусов с одним тяговым приводом.

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 — 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.

Ссылки

• Принципы работы мощных MOSFET и IGBT транзисторов
• Установка IGBT-модуля на трамвай Tatra KT4 № 107 научными сотрудниками Таллиннского технического университета
• Технические данные IGBT-модуля для трамвая Tatra KT4
• Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
• IGBT или MOSFET? Оптимальный выбор Е.Дуплякин.
• Биполярные транзисторы с изолированным затвором для начинающих. IGBT for beginners

См. также

• Тяговый преобразователь
• Биполярный транзистор
• Электротранспорт
• Ключ (электротехника)
• Частотно-регулируемый привод