Τα μονωμένα διπολικά τρανζίστορ (IGBT) είναι ημιαγωγικές συσκευές που χρησιμοποιούνται ευρέως στα σύγχρονα ηλεκτρονικά.Συνδυάζοντας την υψηλή αντίσταση εισόδου και την γρήγορη εναλλαγή ενός MOSFET με τις χαμηλές απώλειες αγωγιμότητας ενός διπολικού τρανζίστορ, τα IGBT έχουν γίνει μια επιλογή για εφαρμογές που απαιτούν αποτελεσματική διακόπτηση υψηλής τάσης και υψηλού ρεύματος.

Βασική δομή και αρχή λειτουργίας

Μια IGBT συγχωνεύει τρεις κύριες περιοχές:

1. Πύλη (G):Ελέγχει το σχηματισμό του καναλιού όπως σε ένα MOSFET.

2. Συλλέκτης (Γ) και εκδότης (Ε):Να μεταφέρει το ρεύμα υψηλής ισχύος όπως σε ένα διπολικό τρανζίστορ.

Όταν μια θετική τάση εφαρμόζεται στην πύλη, τα ηλεκτρόνια συσσωρεύονται κάτω από το οξείδιο της πύλης για να δημιουργήσουν ένα αγωγικό κανάλι.που στη συνέχεια εισάγουν τρύπες από την περιοχή συλλέκτη τύπου p, με αποτέλεσμα πορεία ρεύματος χαμηλής αντίστασηςΗ αφαίρεση της τάσης της πύλης εξαντλεί το κανάλι, μπλοκάροντας την ροή του ρεύματος.

Βασικά χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα

• Δυνατότητα υψηλής τάσης:Οι IGBT διαχειρίζονται εύκολα τάσεις από μερικές εκατοντάδες βολτ έως αρκετούς κιλοβολτ, καθιστώντας τους κατάλληλους για βιομηχανικές μονάδες κίνησης και μετατροπείς ανανεώσιμης ενέργειας.

• Χαμηλές απώλειες αγωγού:Μόλις ενεργοποιηθεί, η συσκευή παρουσιάζει πολύ χαμηλή πτώση τάσης, που μεταφράζεται σε υψηλή απόδοση σε βαριά φορτία.

• Γρήγορη αλλαγή:Αν και δεν είναι τόσο γρήγορες όσο τα καθαρά MOSFET σε χαμηλές τάσεις, οι σύγχρονες IGBT αλλάζουν αρκετά γρήγορα (δεκάδες έως εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα) για πολλές εφαρμογές PWM (διαμόρφωση πλάτους παλμού).

• Δυνατότητα:Δυνατότητα κατά της υπερφόρτωσης και των βραχυκυκλωμάτων λόγω της διπολικής φύσης τους και της ικανότητάς τους να αντέχουν σε υψηλές τάσεις για σύντομη διάρκεια.

Περιορισμοί

• Ύστερο ρεύμα:Κατά την απενεργοποίηση, μια ουρά φορτιστών επιβραδύνει την παρακμή του ρεύματος, αυξάνοντας ελαφρώς τις απώλειες διασύνδεσης και περιορίζοντας τη μέγιστη συχνότητα διασύνδεσης (συχνά <50 kHz για τις μονάδες υψηλής ισχύος).

• Θερμική διαχείριση:Οι υψηλές πυκνότητες ισχύος απαιτούν αποτελεσματική απορρόφηση της θερμότητας και προσεκτική συσκευασία για τη διατήρηση των θερμοκρασιών των διασταυρώσεων κάτω από τα ασφαλή όρια (συνήθως < 150 °C).

• Απαιτήσεις για την οδήγηση πύλης:Τα IGBT χρειάζονται ακριβή έλεγχο τάσης πύλης (περίπου +15 V για πλήρη ανάφλεξη και 5 V έως 15 V για να διασφαλιστεί η απενεργοποίηση) και τα κυκλώματα οδηγών πρέπει να χειρίζονται τη μετατόπιση επιπέδου σε υψηλές τάσεις.

Συσκευασία και βαθμολογία

Τα IGBT διατίθενται σε διακριτά πακέτα (TO-247, TO-264, κλπ.) και σε πολυ-τσιπ μονάδες (μοδίες IGBT) για υψηλότερα επίπεδα ισχύος.

• Τεχνική ένταση (V)_CES):Μέγιστη τάση που μπορεί να μπλοκάρει η συσκευή όταν απενεργοποιηθεί.

• ρεύμα συλλέκτη (I_Γ):Μέγιστο συνεχές ρεύμα.

• Χρόνοι εναλλαγής (t)_σε, t_Κλείσε):Καθυστερήσεις ανάφλεξης/ανάκλεισης.

• Συνολική απώλεια ισχύος (P)_{απώλεια}):Σύνολο απωλειών αγωγιμότητας και διακόπτη, σημαντικές για τον θερμικό σχεδιασμό.

Επιλογή της κατάλληλης IGBT

Κατά την επιλογή ενός IGBT, εξετάστε:

• Τάξη τάσης:Συμφωνία V_CESστο μέγιστο DC bus συν περιθώριο (π.χ. συσκευή 1200 V για bus 700 V).

• Τρέχουσα βαθμολογία:Επιλέξτε μια συσκευή της οποίας το συνεχές ρεύμα και το ρεύμα κορυφής υπερβαίνουν τις απαιτήσεις φόρτωσης, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμοκρασία.

• Συχνότητα αλλαγής:Οι χαμηλότερες συχνότητες (<10 kHz) ευνοούν μεγαλύτερες IGBT με χαμηλή απώλεια.

• Θερμική αντίσταση:Επίπεδο μονάδας R_Η(συνδέσεις σε κάθε περίπτωση) και το σχεδιασμό συσκευασίας επηρεάζουν τις απαιτήσεις θερμικής απορρόφησης.

• Χρέωση πύλης:Τα IGBT χαμηλότερης φόρτισης πύλης απαιτούν λιγότερο ρεύμα κίνησης, απλοποιώντας το σχεδιασμό του οδηγού.

Θερμικές και προστατευτικές εκτιμήσεις

• Καύσιμο θερμότητας:Χρησιμοποιήστε κατάλληλα υλικά θερμικής διεπαφής και ψυγεία μεγέθους ώστε να διατηρείται η θερμοκρασία της διασταύρωσης εντός ασφαλών ορίων.

• Σνούμπερ κυκλώματα:Οι ανιχνευτές RC ή RCD περιορίζουν τις κορύφους τάσης κατά την απενεργοποίηση και προστατεύουν την ακεραιότητα της συσκευής.

• Προστασία από υπερστροφή:Ταχεία διακοπή της λειτουργίας της πύλης ή εξωτερικές ασφάλειες προστατεύουν από βραχυκυκλώματα.

• Ελαφριά απενεργοποίηση:Οι σταδιακές τεχνικές μείωσης του ρεύματος μπορούν να αποτρέψουν τη θερμική πίεση κατά τη διάρκεια συνθηκών υπερφόρτωσης.

Μελλοντικές τάσεις

Ενώ τα IGBT πυριτίου παραμένουν κυρίαρχα, τα υλικά ευρείας ζώνης όπως τα MOSFET του καρβιδίου του πυριτίου (SiC) και τα τρανζίστορα νιτρικού γαλλίου (GaN) αναδύονται.και λειτουργία υψηλότερης θερμοκρασίαςΩστόσο, για σενάρια υψηλής τάσης και υψηλού ρεύματος, οι βελτιστοποιημένες μονάδες IGBT θα εξακολουθήσουν να είναι οικονομικά αποδοτικές για το προβλέψιμο μέλλον.

Οι IGBT διαδραματίζουν καίριο ρόλο στα συστήματα μετατροπής ισχύος, επιτυγχάνοντας μια ισορροπία μεταξύ της ανθεκτικότητας υψηλής τάσης και της αποτελεσματικής μετάδοσης υψηλού ρεύματος.και απαιτήσεις εφαρμογής, οι μηχανικοί μπορούν να επιλέξουν και να εφαρμόσουν λύσεις IGBT που μεγιστοποιούν τις επιδόσεις του συστήματος, την αξιοπιστία και την οικονομική απόδοση.