Τρανζίστορ IGBT
Τα διπολικά τρανζίστορ με απομονωμένη πύλη είναι ένας νέος τύπος ενεργών συσκευών που εμφανίστηκαν σχετικά πρόσφατα. Τα χαρακτηριστικά εισόδου του είναι παρόμοια με τα χαρακτηριστικά εισόδου ενός τρανζίστορ εφέ πεδίου και τα χαρακτηριστικά εξόδου του είναι παρόμοια με τα χαρακτηριστικά εξόδου ενός διπολικού.
Στη βιβλιογραφία αυτή η συσκευή ονομάζεται IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)... Από πλευράς ταχύτητας υπερτερεί σημαντικά διπολικά τρανζίστορ... Τις περισσότερες φορές, τα τρανζίστορ IGBT χρησιμοποιούνται ως διακόπτες ισχύος, όπου ο χρόνος ενεργοποίησης είναι 0,2 — 0,4 μs και ο χρόνος απενεργοποίησης είναι 0,2 — 1,5 μs, οι τάσεις μεταγωγής φτάνουν τα 3,5 kV και τα ρεύματα είναι 1200 A .
Τα τρανζίστορ IGBT-T αντικαθιστούν τα θυρίστορ από κυκλώματα μετατροπής υψηλής τάσης και καθιστούν δυνατή τη δημιουργία παλμικών δευτερογενών τροφοδοτικών με ποιοτικά καλύτερα χαρακτηριστικά. Τα τρανζίστορ IGBT-T χρησιμοποιούνται ευρέως σε μετατροπείς για τον έλεγχο ηλεκτρικών κινητήρων, σε συστήματα συνεχούς ισχύος υψηλής ισχύος με τάσεις πάνω από 1 kV και ρεύματα εκατοντάδων αμπέρ.Σε κάποιο βαθμό, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην κατάσταση ενεργοποίησης σε ρεύματα εκατοντάδων αμπέρ, η πτώση τάσης στο τρανζίστορ είναι στην περιοχή 1,5 - 3,5 V.
Όπως φαίνεται από τη δομή του τρανζίστορ IGBT (Εικ. 1), είναι μια μάλλον πολύπλοκη συσκευή στην οποία ένα τρανζίστορ pn-p ελέγχεται από ένα τρανζίστορ MOS n καναλιών.
Ο συλλέκτης του τρανζίστορ IGBT (Εικ. 2, α) είναι ο εκπομπός του τρανζίστορ VT4. Όταν εφαρμόζεται θετική τάση στην πύλη, το τρανζίστορ VT1 έχει ένα ηλεκτρικά αγώγιμο κανάλι. Μέσω αυτού, ο πομπός του τρανζίστορ IGBT (ο συλλέκτης του τρανζίστορ VT4) συνδέεται στη βάση του τρανζίστορ VT4.
Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι είναι εντελώς ξεκλείδωτο και η πτώση τάσης μεταξύ του συλλέκτη του τρανζίστορ IGBT και του πομπού του γίνεται ίση με την πτώση τάσης στη διασταύρωση εκπομπού του τρανζίστορ VT4, αθροιζόμενη με την πτώση τάσης Usi στο τρανζίστορ VT1.
Λόγω του γεγονότος ότι η πτώση τάσης στη διασταύρωση p — n μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, η πτώση τάσης σε ένα ξεκλείδωτο τρανζίστορ IGBT σε μια συγκεκριμένη περιοχή ρεύματος έχει αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας, ο οποίος γίνεται θετικός σε υψηλό ρεύμα. Επομένως, η πτώση τάσης στο IGBT δεν πέφτει κάτω από την οριακή τάση της διόδου (εκπομπός VT4).
Ρύζι. 2. Ισοδύναμο κύκλωμα ενός τρανζίστορ IGBT (a) και το σύμβολό του στην εγγενή (b) και ξένη (c) βιβλιογραφία
Καθώς η τάση που εφαρμόζεται στο τρανζίστορ IGBT αυξάνεται, το ρεύμα του καναλιού αυξάνεται, το οποίο καθορίζει το ρεύμα βάσης του τρανζίστορ VT4, ενώ η πτώση τάσης στο τρανζίστορ IGBT μειώνεται.
Όταν το τρανζίστορ VT1 είναι κλειδωμένο, το ρεύμα του τρανζίστορ VT4 γίνεται μικρό, γεγονός που καθιστά δυνατό να θεωρηθεί κλειδωμένο. Εισάγονται πρόσθετα στρώματα για την απενεργοποίηση των τυπικών τρόπων λειτουργίας του θυρίστορ όταν εμφανίζεται μια κατάρρευση χιονοστιβάδας. Το στρώμα προσωρινής αποθήκευσης n + και η περιοχή ευρείας βάσης n– παρέχουν μείωση στο κέρδος ρεύματος του τρανζίστορ p — n — p.
Η γενική εικόνα της ενεργοποίησης και απενεργοποίησης είναι αρκετά περίπλοκη, καθώς υπάρχουν αλλαγές στην κινητικότητα των φορέων φόρτισης, συντελεστές μεταφοράς ρεύματος σε τρανζίστορ p — n — p και n — p — n που υπάρχουν στη δομή, αλλαγές στις αντιστάσεις των περιφέρειες κλπ. Αν και κατ' αρχήν τα τρανζίστορ IGBT μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να λειτουργήσουν σε γραμμική λειτουργία, ενώ χρησιμοποιούνται κυρίως σε λειτουργία κλειδιού.
Σε αυτή την περίπτωση, οι αλλαγές στις τάσεις του διακόπτη χαρακτηρίζονται από τις καμπύλες που φαίνονται στο Σχ.
Ρύζι. 3. Αλλαγή της πτώσης τάσης Uke και του ρεύματος Ic του τρανζίστορ IGBT
Ρύζι. 4. Ισοδύναμο διάγραμμα ενός τρανζίστορ τύπου IGBT (α) και τα χαρακτηριστικά του ρεύματος-τάσης (β)
Μελέτες έχουν δείξει ότι για τα περισσότερα τρανζίστορ IGBT, οι χρόνοι ενεργοποίησης και απενεργοποίησης δεν υπερβαίνουν τα 0,5 — 1,0 μs. Για να μειωθεί ο αριθμός των πρόσθετων εξωτερικών εξαρτημάτων, εισάγονται δίοδοι στα τρανζίστορ IGBT ή παράγονται μονάδες που αποτελούνται από πολλά εξαρτήματα (Εικ. 5, α — δ).
Ρύζι. 5. Σύμβολα μονάδων τρανζίστορ IGBT: a — MTKID; β — ΜΤΚΙ; c — M2TKI; δ — MDTKI
Τα σύμβολα των τρανζίστορ IGBT περιλαμβάνουν: γράμμα M — μονάδα χωρίς δυναμικό (η βάση είναι απομονωμένη). 2 — ο αριθμός των κλειδιών. γράμματα TCI — διπολικό με μονωμένο κάλυμμα. DTKI — Δίοδος / Διπολικό τρανζίστορ με απομονωμένη πύλη. TCID — Διπολικό τρανζίστορ / απομονωμένη δίοδος πύλης. αριθμοί: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — μέγιστο ρεύμα. αριθμοί: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — η μέγιστη τάση μεταξύ του συλλέκτη και του πομπού Uke (* 100V). Για παράδειγμα, η μονάδα MTKID-75-17 έχει UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Διδάκτωρ Τεχνικών Επιστημών, καθηγητής L.A. Potapov