Активная деятельность Microsemi на рынке электронных компонентов, включающая в себя как производство новых устройств, так и поглощение профильных компаний, выпускающих интересные и перспективные изделия, приводит к тому, что линейка ее продукции постоянно увеличивается.
В настоящее время спектр предлагаемых полупроводниковых устройств, отличающийся огромным разнообразием, простирается от обычных дискретных полупроводниковых приборов до высокоинтегрированных ИС, выполняющих функции обработки, передачи и хранения информации.
Но у многих разработчиков название Microsemi прежде всего ассоциируется с силовыми диодами, транзисторами и модулями на их основе.
ВВЕДЕНИЕ
Силовая электроника – интенсивно развивающаяся область науки и техники, охватывающая по существу все сферы деятельности человека – промышленность, добывающие отрасли, транспорт, связь. Приборы силовой электроники представляют собой мощные электронные устройства, работающие, как правило, в импульсных режимах и позволяющие изменением алгоритмов их переключения управлять усредненными значениями мгновенной мощности по требуемым законам. Наблюдаемый в последние годы на мировом рынке повышенный спрос на изделия силовой электроники и соответствующая активность в области их разработок и производства обусловлены тем, что именно они во многих случаях являются основой для создания современного высокотехнологичного оборудования [1]. Модернизация силовых полупроводниковых устройств идет по пути повышения энергоэффективности (обеспечения минимальных потерь мощности), быстродействия и надежности с одновременным уменьшением массово-габаритных характеристик при максимально возможной мощности. Прогресс в современной силовой электронике тесно связан со значительным улучшением параметров мощных, практически идеальных ключей на базе полевых транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), быстродействующих диодов и силовых модулей.В основном это достигается совершенствованием технологий изготовления и использованием широкозонных материалов (карбида кремния, нитрида галлия)при создании мощных приборов с требуемыми характеристиками. В области напряжений 200-1000 В рынок уверенно завоевывают полевые транзисторы (MOSFET), модули и интеллектуальные силовые ИС на их основе, вытесняя биполярные транзисторы. Это в первую очередь связано отличными эксплуатационными характеристиками MOSFET: высокой скоростью коммутации, низкими статическими и динамическими потерями, малой мощностью управления, высокой стойкостью к перегрузкам. Область применения MOSFET – преобразователи частоты и напряжения мощностью до 10 кВт с частотами преобразования до единиц МГц. Большую популярность приобретают биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Удачное сочетание свойств биполярных и MOSFET транзисторов (малая мощность управления, высокая скорость коммутации, прямоугольная область безопасной работы, способность работать параллельно без выравнивающих элементов, малое падение напряжения в открытом состоянии, высокое предельное напряжение) делают IGBT практически идеальными силовыми ключами. Параметры IGBT постоянно улучшаются производителями (прямое падение напряжения с 4 В у первого поколения уменьшилось в настоящее время до 1,2 В у четвертого поколения, аналогично предельная частота переключения увеличилась с 5 кГц до 150 кГц и более). Самая распространенная область применения – схемы инверторов напряжения, включая многоуровневые, с рабочими напряжениями до нескольких кВ и токами порядка 100 А. Данные преобразователи используются в электроприводах различного назначения, в мощных системах генерирования электрической энергии постоянного и переменного тока, в мощных преобразователях автомобилей, а также в различных видах сварочного оборудования. По мнению зарубежных аналитиков, к числу наиболее перспективных также относится производство силовых модулей. Для улучшения технико-экономических показателей силовых электронных устройств (конвертеров, регуляторов и др.) используются интегрированные силовые ключи, объединенные по типовым, наиболее распространенным схемам преобразования параметров электрической энергии. На основе последовательного и параллельного соединений транзисторов создаются модули ключей с двунаправленной проводимостью, работающие в цепях постоянного и переменного тока. Введение дополнительных схем защиты от воздействия высоких напряжений и температур повышает надежность и длительность эксплуатации. Из основных областей применения можно отметить гибридные системы электропитания (ветроэлектроэнергетика, солнечная электроэнергетика), сварочные агрегаты, устройства регулирования электроприводов постоянного и переменного тока, источники бесперебойного питания промышленного оборудования.
Microsemi Corporation, как разработчик высоконадежных дискретных компонентов для космической, военной и авиационной областей, большое внимание уделяет улучшению их рабочих параметров и предельных характеристик.
Продукция силовой электроники компании применяется в различных системах электропитания: вычислительных комплексах, базовых станциях беспроводной связи, промышленных системах, медицинских приборах, лазерах, в оборудовании для производства полупроводников, сварочных аппаратах и системах электропитания для аэрокосмической отрасли [2]. Рассмотрим далее основные группы изделий, уделяя особое внимание новинкам [3].
СИЛОВЫЕ ДИОДЫ Компанией Microsemi выпускается пять различных семейств кремниевых диодов с быстрым восстановлением (FRED),а также ряд диодов на основе SiC. Диоды данных серий отличаются высокой скоростью переключения и мягким восстановлением, обеспечивающим минимизацию потерь при коммутации.
Они разработаны для высококачественных решений, работающих в широком диапазоне напряжений,и удовлетворяют самым жестким требованиям, предъявляемым к мощным высоковольтным устройствам. Выпускаются одиночные и сдвоенные диоды на напряжения от 200 до 1700 В и токи от 15 до 100 А. Серия DL характеризуется низким значением прямого напряжения (VF) и ультрамягким восстановлением.
Она позиционируется для выпрямительных и резонансных схем. Диоды D серии, предназначенные для применения в импульсных источниках питания со средними частотами переключения, рассчитаны на напряжения 200, 300, 400, 600, 1000 и 1200В.
Используемая в производстве запатентованная технология платинового легирования понижает уровень токов утечки и улучшает надежность работы при повышенных температурах. Компоненты DQ серии с рабочим напряжением 600, 1000 и 1200В и широким диапазоном номинальных мощностей отличаются низким зарядом обратного восстановления (QRR) и используются в устройствах с высокой частотой коммутации.
Высокоскоростные диоды серии DS предназначены для применения в высококачественных корректорах коэффициента мощности, где время обратного восстановления должно быть минимальным.
Кремниевые диоды Шоттки, обозначаемые литерой S в шифре компонента, рассчитаны на напряжение 200В, благодаря своей конструкции они обладают малым напряжением VF (менее 1 В) и низкими потерями при восстановлении. Малый разброс значений прямого напряжения упрощает параллельное соединение диодов. Корпуса с допустимой температурой эксплуатации 175°С разработаны с использованием пассивации для повышения надежности в условиях повышенной влажности (рис. 1).
SiC диоды компании Microsemi серий SCE и SCD с диапазоном максимальных рабочих токов от 10 до 30 А и максимальными обратными напряжениями 650, 1200 и 1700 В выпускаются в популярных малогабаритных корпусах для планарного и сквозного монтажа (таблица 2). Компоненты могут успешно применяться в импульсных источниках питания, инверторах, корректорах коэффициента мощности и другом высоконадежном силовом оборудовании различного назначения.
СИЛОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярные транзисторы с изолированным затвором компании Microsemi предназначены для высококачественных решений в широком диапазоне напряжений и мощностей. Диапазон частот работы транзисторов охватывает от нескольких килогерц в низкочастотных применениях до 150кГц в импульсных источниках питания с высокой удельной мощностью (рис. 3).
Семейство Power MOS 7PT, рассчитанное на максимальное рабочее напряжение 1200 В, обозначается литерами GU или GP в шифре прибора. Низкий заряд затвора компонентов данной серии (порядка 100 нКл) приводит к уменьшению мощности, необходимой для переключения, и, соответственно, к повышению быстродействия.
Малый хвостовой ток сводит к минимуму потери на переключение и позволяет достичь высоких рабочих частот. К типовым применениям относятся преобразователи солнечной энергии, сварочные аппараты, зарядные устройства и индукционные нагреватели, а также высококачественные импульсные источники питания промышленного оборудования.
IGBT транзисторы серии Field Stop с номинальными напряжениями VCES, равными 600 или 1200 В, обозначаются литерами GN в наименовании компонента.
Разработанные для использования в режимах жёсткого и мягкого переключения на частотах до 30 кГц, они обладают малыми потерями на электропроводность, что является полезным свойством для низкочастотных применений, в которых наиболее значимыми являются как раз потери проводимости.
Параллельное включение устройств не вызывает затруднений благодаря малому разбросу напряжения коллектор-эмиттер и положительному температурному коэффициенту напряжения. Среди других значимых характеристик можно отметить устойчивость к коротким замыканиям.
Семейство силовых транзисторов Power MOS 8 включает в себя как IGBT, так и полевые транзисторы. IGBT устройства производятся на основе PT и NPT технологий. В транзисторах данной серии применяется полосковая алюминиевая структура затвора с очень низким внутренним эквивалентным сопротивлением (доли Ом), гораздо меньшим, чем у устройств с поликремниевым затвором. С учетом крайне малого заряда затвора достигается более высокая скорость переключения и очень низкие динамические потери, при этом отсутствует необходимость использования мощного драйвера. Полосковая структура затвора более устойчива к дефектам, которые неизбежно возникают во время производства, и улучшает выносливость и надежность устройства, особенно в режиме работы транзистора при высоком токе и высокой температуре. Оптимизированные значения входной емкости и емкости “Миллера” ограничивают максимальную скорость нарастания напряжения и тока в момент переключения и способствуют “чистой” коммутации с меньшим уровнем электромагнитного излучения. Низкие значения RDS(on)/VCE(on) обеспечивают малые потери проводимости, высокий КПД и меньший уровень тепловых потерь. Полевые высоковольтные (500-1200 В) N-канальные транзисторы семейства Power MOS 8 подразделяются на MOSFET и FREDFET. Они оптимизированы для работы на высоких частотах в режимах жесткого и мягкого переключения. Основные применения – корректоры коэффициента мощности, установки индукционного нагрева и электродуговой сварки, источники питания промышленного оборудования и многие другие устройства мощностью до 500 Вт.Транзисторы MOSFET имеют внутренний антипараллельный диод, который пропускает обратный ток. Этот диод обладает медленным восстановлением, что приводит к снижению надёжности в схемах с переключением в момент нулевого напряжения (ZVS).
Транзисторы FREDFET (Fast-Reverse Epitaxial Diode Field-Effect Transistor) – это MOSFET со встроенным диодом с минимальным временем обратного восстановления (trr), обеспечивающим высокую устойчивость к dv/dt и высокую надежность в мостовых схемах. Некоторым минусом является незначительно большее сопротивление RDS(on) при рабочих напряжениях более 800 В по сравнению с MOSFET с аналогичными характеристиками. Бюджетные полевые транзисторы семейства CoolMOS производятся по технологии фирмы Infineon Technologies. Предназначенные для работы в импульсных источниках питания, они изготавливаются в различных стандартных корпусах. Новые высоковольтные карбидокремниевые MOSFET устройства разработаны на основе запатентованной технологии с целью повышения энергоэффективности ключевых схем. Их отличительная особенность и в то же время основное преимущество – значительно более низкое удельное сопротивление исток-сток в открытом состоянии (RDS(ON))по сравнению с кремниевыми полевыми транзисторами. Компоненты отличаются высоким напряжением пробоя (до 1700 В), а максимальный ток стока достигает величины70 А. Малый заряд затвора, а также его низкое сопротивление минимизируют потери энергии на переключение и обеспечивают отличные динамические характеристики. Коммутация нагрузки происходит под действием управляющего напряжения затвора Vgs, лежащем в пределах от -10 до +25В. Из других особенностей можно отметить низкий уровень собственного электромагнитного шума и стойкость к коротким замыканиям. Типовые применения включают в себя импульсные источники питания с различными топологиями силовых преобразователей напряжения (повышающие, понижающие, обратноходовые, несимметричные мосты), корректоры коэффициента мощности, схемы управления электроприводами, инверторы и т.д.
СИЛОВЫЕ МОДУЛИ Компанией Microsemi производится широкая номенклатура стандартных силовых полупроводниковых модулей, а также заказных специализированных изделий, разрабатываемых по индивидуальному заказу.
Переход к созданию высокоинтегрированных модулей позволяет за счет максимально плотной компоновки элементов значительно уменьшить габариты конечного устройства, следствием чего является существенное уменьшение влияния паразитных активных и реактивных элементов на параметры устройства [6].
Это, в свою очередь, обеспечивает безопасную работу на высоких частотах, повышает КПД и снижает уровень возможных электромагнитных помех, упрощая требования к внешним фильтрам.
Поскольку в процессе производства модуля все внутренние соединения задаются маской, достигается исключительная повторяемость как термических, так и электрических параметров, как для серии, так и для партии в целом.
Стандартные силовые модули Microsemi с широким выбором конструктивно-технологического исполнения, включают в себя устройства всех самых распространенных конфигураций ключевых схем (таблица 5). Их производство основано на использовании кристаллов IGBT, MOSFET, а также силовых диодов (FRED и SiC), выпускаемых компанией Microsemi.
Вторая группа представляет собой транзисторные модули, состоящие либо полностью из SiC элементов, либо с применением таковых для улучшения ключевых характеристик разрабатываемого устройства.
Карбидокремниевые силовые модули для промышленного диапазона температур выполнены по различным электрическим конфигурациям и предлагаются в низкопрофильных корпусах, внешний вид которых показан на рис. 4.
В большинстве из них используется подложка из нитрида алюминия, которая обеспечивает наличие электрической изоляции схемы модуля от теплоотвода и улучшает теплопередачу к системе охлаждения модуля, при этом некоторые модули содержат интегрированные датчики температуры, позволяющие обеспечить дополнительную защиту от превышения максимальной температуры эксплуатации. Предельное рабочее напряжение достигает величины 1700 В, в таблице 7 приведены основные технические характеристики и доступные электрические конфигурации предлагаемых устройств (новинки отмечены цветом).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Компании Microsemi предлагает широкую линейку высоковольтных дискретных и модульных компонентов в различном корпусном исполнении, отвечающую современным требованиям рынка силовой электроники.
Отработанные технологии производства компании, высокий уровень стандартизации, максимальная гибкость и адаптируемость выпускаемой продукции к различным применениям дают возможность выбора оптимального решения по соотношению цена/производительность.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ1. Ланцов В. Успехи, трудности и проблемы на пути развития силовой электроники в России. Силовая электроника. – 2008. – №1., с. 4-82.
Официальный сайт компании Microsemi. www.microsemi.com.3. Каталог Microsemi Power Portfolio20154. Полищук А. Высоковольтные диоды Шоттки из карбида кремния в источниках электропитания с преобразованием частоты.
Компоненты и технологии. – 2004. – №5.
5. Верхулевский К. Дискретные и модульные компоненты на основе карбида кремния, производимые компанией Microsemi. Силовая электроника. – 2015. – №2.
6. Верхулевский К. Новые силовые модули компании Microsemi на основе карбида кремния. Компоненты и технологии. – 2013. – №4., с.138-142.
Скачать в PDF
«Силовая электроника — 2015»: компоненты развития экономики
- 6 ноября 2015 г. в 16:00
- 286
В выставочном комплексе «Крокус-Экспо» с 27 по 29 октября 2015 г. прошла 12-я международная выставка «Силовая Электроника» (Power Electronics), посвященная мощным электронным компонентам и системам.
Несмотря ни на какие проблемы в экономике, эта продукция сейчас очень востребована и пользуется спросом, может быть, даже больше, чем несколько лет тому назад. Силовая электроника нужна для создания современных конкурентоспособных производств, общественного транспорта на электрической тяге, высокоэффективной энергетики и т. п.
Вряд ли стоит напоминать, что все перечисленные направления являются жизненно важными для нынешнего этапа развития нашей страны. Отличительной особенностью данной выставки является тотальное господство технологии IGBT (от английского Insulated-gate bipolar transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором).
Речь идет о приборах, сочетающих в себе лучшие качества биполярного и полевого транзисторов. IGBT-транзисторы были изобретены еще в 70-х годах XX века, но наладить серийное производство таких транзисторов, пригодных для практических применений, удалось только в 90-х годах. Сейчас ценовая доступность открыла IGBT новые возможности для широкого применения.
На основе IGBT компонентов строятся инверторы, коммутаторы, регуляторы мощности. При этом использование IGBT позволяет заменить громоздкие реле, трансформаторы и некоторые другие компоненты.
Что же касается конкурирующих технологий, например, SiC (транзисторы на карбиде кремния), то они еще недостаточно развиты и используются только для отдельных, специализированных применений. Естественно, к нынешнему триумфу технология IGBT прошла длинный путь, сменилось несколько поколений IGBT кристаллов.
При этом каким номером обозначать наиболее актуальное поколение — вопрос дискуссионный, что еще раз показала выставка. Mitsubishi Electric относят свою новейшую продукцию к 7-му поколению IGBT.
Отличительной особенностью данного поколение является уменьшенная толщина кристалла, что в совокупности с усовершенствованной структурой, дает значительное снижение потерь, особенно при использовании IGBT модулей для построения инверторов. В то же время, Semikron и некоторые другие производители, а также ученые в области электроники предпочитают вести иной отсчет поколений, в результате чего IGBT чипы с указанными особенностями относят к 4-му поколению.
По классификации Semikron, IGBT-модули с уменьшенной толщиной чипа относятся к 4-му поколению
Mitsubishi Electric представила на выставке серию модулей в корпусах DIPIPM+ и SlimDIP. Эти модули совмещают в себе функции трехфазного выпрямителя, прерывателя (зависит от модели) и инвертора.
Использование DIP-корпуса, пригодного для монтажа непосредственно на печатную плату, а также размещение в модуле всех основных элементов преобразователя напряжения, позволяет упростить разработку и производству всевозможных электронных устройств.
Причем эти модули способны работать, в зависимости от модификации с напряжениями до 1200 В, что раньше было характерно только для модулей с зажимными контактами. Помимо активного развития IGBT, компания Mitsubishi Electric уделяет внимание и конкурирующим направлениям. В первую очередь это устройства SJ-MOSFET.
Данные приборы представляют собой усовершенствованные полевые транзисторы с изолированным затвором. Низкое сопротивление открытого канала позволяет не добавлять в структуру элементы биполярного транзистора, как это делается в IGBT. При этом напряжение между истоком и стоком в режиме «включено» на 80% ниже, чем у IGBT транзисторов, что значительно увеличивает КПД собранных на них устройств.
К недостаткам SJ-MOSFET по сравнению с IGBT пока можно отнести их дороговизну, а также меньшее предельное напряжение, составляющее, как правило, не более 650 В. Тем не менее, уже сейчас SJ-MOSFET модули используются в кондиционерах высокого класса.
По сравнению с кремнием, карбид кремния (SiC) обладает значительно большей механической прочностью, что позволяет делать подложку чипа в 10 раз тоньше. В свою очередь, это значительно снижает потери в состоянии «включено», а также потери при переключении.
Ширина запрещенной зоны у карбида кремния в 3 раза больше, чем у обычного кремния, поэтому ток через канал транзистора в состоянии «выключено» снижается до пренебрежительно малых величин. В итоге можно уменьшить потери на 70% по сравнению с традиционной электроникой на кремнии. Mitsubishi Electric активно развивает направление SiC применительно к мощным MOSFET-транзисторам и модулям на их основе. Пока серийно выпускаются модули на напряжение до 600 В, но уже анонсирована возможность получения разработчиками под заказ семплов модулей на напряжение до 1200 В. Пока, как и SJ-MOSFET, SiC компоненты применяются главным образом в дорогих кондиционерах. Но им прочат большое будущее по мере развития альтернативной энергетики.
Мощный IGBT-модуль от Dynex Semiconductor
Впрочем, альтернативным технологиям по напряжениям, с которыми работает коммутирующее устройство, все равно пока невозможно тягаться с IGBT.
Например, британская компания Dynex Semiconuctor заявила о готовности производить IGBT-чипы, способные работать с напряжениями до 6500 В и током до 1200 В.
Компания Hitachi, наладила выпуск IGBT-модулей, способных выдерживать ток 3600 А и напряжение до 1700 В.
IGBT-чипы отечественного производства
Повсеместное использование IGBT компонентов в критически важных применениях (например, на железной дороге или на высокотехнологичных производствах) ставит вопрос об организации импортозамещения.
IGBT-чипы выпускаются и в России, причем по своим показателям они не хуже многих зарубежных образцов. Например, завод «Ангстрем» продемонстрировал на выставке бескорпусной IGBT-транзистор, способный выдерживать напряжение до 4500 В и пропускать через себя ток до 35 А.
Чип сделан с использованием современной технологии SPT+, значительно снижающей потери в момент переключения.
Драйверы производства Power Integrations для управления мощными транзисторами
Мощные транзисторы, будь то MOSFET или IGBT имеют одну особенность — емкость затвора у них может достигать нескольких тысяч пикофарад.
Для того, чтобы транзистор быстро и четко переходил из одного состояния в другой, он должен управляться специальным устройством, которое именуется драйвером. При современной тенденции к снижению размеров IGBT-модулей размеры драйверов уменьшаются медленнее.
Упростить конструкцию аппаратуры и уменьшить ее размеры можно благодаря применению созданного компанией Power Integrations нового ядра Scale 2+.
Оно позволяет создавать компактные драйвера, в которых уже реализована функция «мягкого отключения» при коротком замыкании, уменьшающая экстратоки. Благодаря этой функции для нагрузки с небольшой индуктивностью дополнительные компоненты, подавляющие экстратоки, не потребуются.
Плата с монтажом по технологии низкотемпературного спекания
Для силовой электроники большой проблемой являются паяные соединения. Дело в том, что при росте температуры припой расширяется, а при уменьшении температуры — сжимается. Постоянное изменение температуры характерно, в частности, для блоков управления электродвигателями, так как рассеиваемая мощность устройства изменяется во времени.
Компания Semicron для решения данной проблемы создала Sinter Technology — способ соединения деталей электронного устройства низкотемпературным спеканием вместо традиционной пайки. При использовании данной технологии толщина соединения по сравнению с пайкой уменьшается в 5 раз.
В результате значительно уменьшаются абсолютные значения деформации под действием изменения температуры, а также на 5% снижается тепловое сопротивление. На выставке Semicron представила плату, компоненты на которой установлены посредством низкотемпературного спекания, а также модуль инвертора на IGBT, где использовалась данная технология.
На выставке «Силовая электроника» традиционно демонстрируется много моделей блоков питания, хотя на этот раз новинок среди них почти не было. Стоит отметить лишь два события. Российская компания «Ирбис» анонсировала выпуск серии драйверов для светодиодных светильников A220T_C_A17.
Речь идет о драйвере мощностью 240 Вт со стабилизированным выходным током 1050 мА, коэффициентом пульсации не более 1% и степенью защиты IP66 и поддержкой диммирования. Эти драйверы способны выдерживать температуру окружающей среды до +70 C.
До сих пор драйверы с таким сочетанием параметров приходилось импортировать, теперь же производятся в России. Благодаря герметичности корпуса и низкому уровню пульсаций блок драйвер подойдет для светильников, эксплуатирующихся на сложных, высокоточных производствах.
Новый блок питания от Mean Well вызвал большой интерес у посетителей выставки
Известный производитель MeanWell представил новую модель блока питания HEP 600-24. Это устройство способно работать в самых жестких условиях: вибрация до 10G, влага, температура до +70 C. Входное напряжение от 100 до 240 В, выходное — 24 В.
Также есть выход с напряжением 5 В и максимальным током 0,5 А. Это позволяет подключать устройства, получающие питание через интерфейс USB.
От 24 В питаются не только устройства промышленной автоматики, но и светодиодные модули для подсветки рекламных конструкций, а также профессиональные светодиодные ленты.
Предусмотрена возможность точной подстройки напряжения питания и значения силы тока, при которой срабатывает защита. Применение нового блока может быть самым разнообразным, но производитель рекомендует использовать его для питания промышленного оборудования, а также в наружной рекламе.
Алексей Васильев
IGBT транзистор
Радиоэлектроника для начинающих
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 1000C;
- 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.
Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать: