IGBT - это короткая форма биполярного транзистора с изолированным затвором, комбинация биполярного переходного транзистора (BJT) и металлооксидного полевого транзистора (MOS-FET). Это полупроводниковое устройство, используемое для переключения приложений.
Поскольку IGBT представляет собой комбинацию полевых МОП-транзисторов и транзисторов, он имеет преимущества как транзисторов, так и полевых МОП-транзисторов. MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а с другой стороны, BJT имеет преимущество в высоком усилении и низком напряжении насыщения, оба присутствуют в транзисторе IGBT. IGBT - это полупроводник с регулируемым напряжением, который обеспечивает большие токи коллектора-эмиттера с почти нулевым током затвора.
Как уже говорилось, IGBT имеет преимущества как MOSFET, так и BJT, IGBT имеет изолированный затвор, такой же, как и у типичных MOSFET, и такие же выходные характеристики передачи. Хотя BJT является устройством с управлением по току, но для IGBT управление зависит от MOSFET, поэтому это устройство с управлением напряжением, эквивалентное стандартным MOSFET.
Эквивалентная схема и символ IGBT
На изображении выше показана эквивалентная схема IGBT. Это та же структура схемы, которая используется в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены точно так же. Как мы можем видеть на изображении выше, IGBT объединяет два устройства, N-канальный MOSFET и PNP-транзистор. N-канальный MOSFET управляет PNP-транзистором. Стандартный вывод BJT включает коллектор, эмиттер, базу, а стандартный вывод MOSFET включает затвор, сток и исток. Но в случае контактов транзистора IGBT это затвор, который поступает от N-канального MOSFET, а коллектор и эмиттер исходят от транзистора PNP.
В транзисторе PNP коллектор и эмиттер являются проводящими путями, а когда IGBT включен, они проводят ток через него. Этот путь контролируется N-канальным MOSFET.
В случае BJT мы вычисляем коэффициент усиления, который обозначается как Beta (
На изображении выше показан символ IGBT. Как мы видим, символ включает в себя коллектор-эмиттерную часть транзистора и затворную часть полевого МОП-транзистора. Три терминала показаны как ворота, коллектор и эмиттер.
Когда при проведении или переключают « ON Режим» текущий поток от коллектора к эмиттеру. То же самое происходит с транзистором BJT. Но в случае с IGBT вместо базы стоит Gate. Разница между напряжением затвора и эмиттера называется Vge, а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce.
Ток эмиттера (Ie), почти такой же, как ток коллектора (Ic), Ie = Ic. Поскольку ток в коллекторе и эмиттере относительно одинаков, Vce очень низкое.
Узнайте больше о BJT и MOSFET здесь.
Приложения IGBT:
IGBT в основном используется в приложениях, связанных с питанием. Стандартные силовые BJT имеют очень медленный отклик, тогда как MOSFET подходит для приложений с быстрым переключением, но MOSFET - дорогостоящий выбор там, где требуется более высокий номинальный ток. IGBT подходит для замены силовых BJT и силовых MOSFET.
Кроме того, IGBT предлагает более низкое сопротивление включения по сравнению с BJT, и благодаря этому свойству IGBT является термически эффективным в приложениях, связанных с высокой мощностью.
IGBT широко применяются в области электроники. Из-за низкого сопротивления, очень высокого номинального тока, высокой скорости переключения, привода с нулевым затвором, IGBT используются в системах управления двигателями большой мощности, инверторах, импульсных источниках питания с областями высокочастотного преобразования.
На изображении выше показано базовое приложение переключения, использующее IGBT. RL, является резистивной нагрузкой, подключенной через эмиттер IGBT на землю. Разница напряжений на нагрузке обозначается как VRL. Нагрузка также может быть индуктивной. А справа показана другая схема. Нагрузка подключена к коллектору, а резистор для защиты по току подключен к эмиттеру. В обоих случаях ток будет течь от коллектора к эмиттеру.
В случае BJT нам необходимо обеспечить постоянный ток через базу BJT. Но в случае IGBT, как и MOSFET, нам нужно обеспечить постоянное напряжение на затворе, и насыщение поддерживается в постоянном состоянии.
В левом случае разность напряжений VIN, которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей / VSS, управляет выходным током, протекающим от коллектора к эмиттеру. Разница напряжений между VCC и GND практически одинакова на нагрузке.
В правой цепи ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS.
I RL2 = V IN / R S
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) может быть включен « ON » и « OFF » путем активации ворота. Если мы сделаем затвор более положительным, подав напряжение на затвор, эмиттер IGBT будет удерживать IGBT в состоянии « ВКЛ », и если мы сделаем затвор отрицательным или нулевым нажатием, IGBT останется в состоянии « ВЫКЛ ». Это то же самое, что и переключение BJT и MOSFET.
Кривая IGBT IV и передаточные характеристики
На изображении выше показаны ВАХ в зависимости от разного напряжения затвора или Vge. Ось Х обозначает коллектор - эмиттер напряжения или Vce, а ось Y обозначает ток коллектора. В выключенном состоянии ток, протекающий через коллектор, и напряжение затвора равно нулю. Когда мы меняем Vge или напряжение затвора, устройство переходит в активную область. Стабильное и постоянное напряжение на затворе обеспечивает непрерывный и стабильный ток через коллектор. Увеличение Vge пропорционально увеличивает ток коллектора, Vge3> Vge2> Vge3. BV - это напряжение пробоя IGBT.
Эта кривая почти идентична кривой передачи IV BJT, но здесь показано Vge, потому что IGBT - это устройство, управляемое напряжением.
На изображении выше показана передаточная характеристика IGBT. Он почти идентичен PMOSFET. IGBT перейдет в состояние « ВКЛ » после того, как Vge превысит пороговое значение в зависимости от спецификации IGBT.
Ниже приведена таблица сравнения, которая даст нам объективную картину о разнице между IGBT с МОЩНОСТЬЮ BJT - х и силовыми МОП - транзисторами.
|
Характеристики устройства |
IGBT |
Силовой MOSFET |
POWER BJT |
|
Уровень напряжения |
|||
|
Текущий рейтинг |
|||
|
Устройство ввода |
|||
|
Входное сопротивление |
|||
|
Выходное сопротивление |
|||
|
Скорость переключения |
|||
|
Стоимость |
В следующем видео мы увидим схему переключения транзистора IGBT.