Биполярный транзистор с изолированным затвором
В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.
БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.
IGBT транзистор – это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.
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.
Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки "Ресанта" и других аналогичных аппаратах.
Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.
Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ
Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n – канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.
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 (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ 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.
Особенности и сферы применения БТИЗ.
Отличительные качества IGBT:
Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
Имеют низкие потери в открытом состоянии;
Могут работать при температуре более 100 0 C;
Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.
Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.
Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.
IGBT-модули.
IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого "частотника") для управления трёхфазным двигателем.
IGBT модуль
Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).
Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.
Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.
Hey there! Thanks for dropping by Королев Александр! Take a look around and grab the RSS feed to stay updated. See you around!
Проверка IGBT модулей (транзисторов)
Это перевод вырезки, сделанный мной, из официальной документации для IGBT модулей (или как их называют — транзисторов).
Большинство производителей IGBT модулей полностью тестируют их перед отправкой и гарантируют их соответствие утвержденным параметрическим данным. Обычно мы не рекомендуем пользователям проводить повторные тесты, так как это может повредить радиодеталь. Если Вам все же необходимо произвести проверку, то следуйте нижеуказанным тестам:
- Всегда используйте безопасный антистатический материал при транспортировке, после тестирования замените токопроводящий пеноматериал на контактах база-эмиттер.¹
- Никогда не подключайте к эмиттеру напряжение, превышающее значение Vces (указанно в документации для IGBT), а также ни когда не подключайте базу-коллектор к напряжению, превышающему Vges, когда отслеживаете кривую линейных изменений напряжения.
- Никогда не используйте напряжение больше 20В. для коллектора-эмиттера с открытой базой (с открытым затвором).
- Избегайте теплового удара. Никогда не кладите холодную деталь на нагревательные приборы. Интенсивность нагрева не должна быть более чем 10Сº/мин.
Процедура тестирования цифровым мультиметром (ЦММ):
- Требования к оборудованию – ЦММ с режимом проверки диодов и напряжением батареи менее чем 20В. (Обычно используются батареи с напряжением 9V, например «Крона»).
- Тест перехода коллектор-эмиттер:
- Когда деталь находится вне схемы удалите токопроводящий пеноматериал и замкните базу на эмиттер.
- ЦММ в режиме проверки диодов, при подключении положительного полюса относительно эмиттера и отрицательного полюса относительно коллектора, должен дать такие же результаты, как при проверке диодов.
- Цифровой мультиметр должен показывать какое-либо значение, если положительный щуп подключен к коллектору, а отрицательный к эмиттеру. Поврежденный IGBT будет замкнут в обоих направлениях (положительном и отрицательном), или открыт в обоих направлениях.
- Тест оксидного слоя затвора: с помощью цифрового мультиметра, в режиме сопротивления, необходимо замерить сопротивление между затвором и коллектором, а также между затвором и эмиттером, на исправных модулях оно равно бесконечности. На поврежденных IGBT модулях данные выводы могут быть замкнуты или иметь утечку, что покажет наличие сопротивления между затвором и коллектором и/или эмиттером.
1) Все IGBT модули отправляются изготовителем с токопроводящим пеноматериалом, на затворе и эмиттере. Никогда не прикасайтесь к выводам затвора во время монтажа и не удаляйте токопроводящий пеноматериал.
Знаете ли вы, что проверить IGBT транзистор (узнать, годен ли он) можно даже без мультиметра.
Простейшая схема для проверки IGBT транзистора не содержит дефицитных или дорогостоящих деталей.
Но прежде чем её собирать, откройте datasheet (документ с техническим описанием) конкретной модели IGBT транзистора и внимательно посмотрите на соответствие реальных выводов схематическим. Иными словами, вы должны точно знать, где у IGBT транзистора вывод затвора (обозначается буквой G – Gate), вывод эмиттера (E –Emitter) и вывод коллектора (С – Collector).
На рисунке пример для IGBT транзистора FGH60N60SFD
Обратите внимание, что один из выводов мощных транзисторов обычно соединен с корпусом – именно поэтому, чтобы не допустить замыканий, корпуса транзисторов перед монтажом изолируют специальными термостойкими прокладками.
Чтобы проверить IGBT транзистор, важно знать, как его правильно подключить! Обратите внимание на полярность!
1. В правом (по схеме) положении тумблера IGBT транзистор открыт (лампочка светится, если он исправен).
2. В левом – IGBT транзистор закрыт (лампочка НЕ светится, если он исправен).
Поклацайте тумблером туда-сюда.
Если лампочка не светится – транзистор не пропускает ток. Вероятно, из-за отсутствия контакта внутри корпуса или неправильно собранной схемы!
Если лампочка светится постоянно – внутри транзистора произошло короткое замыкание! Такой IGBT транзистор лучше сразу выбросить – при его случайной установке в схему в ней фактически произойдет короткое замыкание, и «полетят» другие детали!
Как видите, проверить IGBT транзистор легко даже без мультиметра.
Купить IGBT транзисторы по самым низким ценам можно –> здесь