Основы работы с IGBT
2024-11-19
Что такое IGBT?
IGBT, биполярный транзистор с изолированным затвором, биполярный транзистор (BJT) и полевой транзистор с изолированным затвором (MOS) - составные полностью управляемые напряжением силовые полупроводниковые приборы, оба (MOSFET) золото-оксидный полупроводниковый транзистор с высоким входным сопротивлением и силовой транзистор (GTR) имеют преимущества низкого падения напряжения в состоянии включения.
У GTR падение напряжения насыщения, плотность тока, но ток управления больше; (поскольку Vbe = 0,7 В, а lc может быть очень большим (с учетом материала и толщины PN-перехода)) мощность управления MOSFET очень мала, скорость переключения быстрая, но падение напряжения в состоянии включения большое, плотность тока маленькая. (Поскольку МОП-трубка имеет Rds, если Ids относительно велик, это приведет к большому Vds).
IGBT сочетает в себе преимущества двух вышеперечисленных устройств: малая мощность и снижение напряжения насыщения. Очень хорошо подходит для применения в системах переменного тока с постоянным напряжением 600 В и выше, таких как двигатели переменного тока, инверторы, импульсные источники питания, осветительные цепи, тяговые приводы и другие области.
Основная роль IGBT заключается в преобразовании высоковольтного постоянного тока в переменный, а также в преобразовании частоты (поэтому они чаще используются в электромобилях).
Как работают IGBT
Не обращая внимания на сложный процесс выведения физики полупроводников, ниже приводится упрощенный принцип работы.
Существует два типа IGBT - N-канальные и P-канальные. Условные обозначения основных N-канальных IGBT и их эквивалентных схем приведены ниже.
Таким образом, весь процесс прост.
Когда затвор G находится на высоком уровне, NMOS проводит, поэтому CE PNP также проводит, и ток течет через CE.
Когда затвор G низкий, NMOS отключается, поэтому CE PNP отключается, и ток через него не течет.
В отличие от MOSFET, IGBT не имеют внутреннего паразитного обратного диода, поэтому на практике (при индуктивных нагрузках) они должны работать в паре с соответствующим быстровосстанавливающимся диодом.
Плюсы и минусы IGBT
Преимущества.
1. Более высокая способность к обработке напряжения и тока.
2. Очень высокий входной импеданс.
3. Очень большой ток можно переключать с помощью очень низкого напряжения.
4. Устройство управления напряжением, т.е. у него нет входного тока и низкие входные потери.
5. схема привода затвора проста и недорога, что снижает требования к приводу затвора.
6. подав положительное напряжение, можно легко открыть его, подав нулевое или слегка отрицательное напряжение, можно легко закрыть его.
7. имеет очень низкое сопротивление включения.
8. имеет высокую плотность тока, что позволяет ему иметь меньший размер микросхемы.
9. имеет более высокий коэффициент усиления мощности, чем BJT и MOS-трубки.
10. имеет более высокую скорость переключения, чем BJT.
11. может использовать низкое управляющее напряжение, переключая высокий уровень тока.
12. биполярная природа, повышенная проводимость.
13. безопасный и надежный.
Недостатки.
1.Скорость переключения ниже, чем у MOS-трубки.
2.Поскольку он однонаправленный, он не может работать с формами переменного тока без дополнительных схем.
3.Не может блокировать высокое обратное напряжение.
4.Более дорогие, чем BJT и MOS лампы.
5.Похож на тиристорную P-N-P-N структуру, поэтому у него есть проблема блокировки.
Основные параметры IGBT
1. номинальное напряжение коллектор-эмиттер UCES - это максимальное напряжение, которое может быть выдержано между коллектором и эмиттером IGBT в состоянии отсечки, обычно UCES меньше или равно напряжению лавинного пробоя устройства.
2. номинальное напряжение затвор - эмиттер UGE - это напряжение на затворе и эмиттере IGBT между максимально допустимым напряжением, обычно 20 В. Напряжение на затворе служит сигналом для управления процессом включения и выключения IGBT, напряжение не должно превышать UGE.
3. номинальный ток коллектора IC - это ток IGBT в состоянии насыщенной проводимости, максимальный ток, который разрешено пропускать непрерывно.
4. напряжение насыщения коллектор-эмиттер UCE - это падение напряжения между коллектором и эмиттером IGBT в состоянии насыщенной проводимости. Чем меньше это значение, тем меньше потери мощности лампы.
5. частота переключения В инструкции к IGBT частота переключения указана в виде времени включения tON, времени спада t1 и времени выключения tOFF, по этим параметрам можно оценить частоту переключения IGBT, обычно до 30 ~ 40 кГц. В преобразователе частоты реальная несущая частота чаще всего находится в пределах 15 кГц или меньше.
Статическая характеристическая кривая IGBT
Статическая характеристическая кривая IGBT включает в себя кривую передаточной характеристики и кривую выходной характеристики: левая часть кривой, используемая для обозначения зависимости между IC-VGE, называется кривой передаточной характеристики, а правая часть кривой, обозначающая зависимость между IC-VCE, называется кривой выходной характеристики.
1. Кривая передаточной характеристики
Кривая передаточной характеристики IGBT - это кривая зависимости между выходным коллекторным током IC и напряжением затвор-эмиттер VGE.
Чтобы облегчить понимание, здесь мы можем понять передаточную характеристику IGBT, проанализировав MOSFET.
Когда VGS = 0 В, между истоком S и стоком D эквивалентно существованию двух pn-переходов встык, поэтому независимо от того, сколько и какой полярности напряжение добавляется между стоком и истоком VDS, всегда существует pn-переход в обратнонапряженном состоянии, нет проводящего канала между стоком и истоком, устройство не может быть проведено, и ток стока ID - это ток утечки трубки N+PN+, который близок к нулю.
Когда 0<vgs<vas(th), напряжение на затворе увеличивается, и в изолирующем слое между затвором G и подложкой p возникает электрическое поле, заставляющее небольшое количество электронов собираться на нижней поверхности кислорода затвора, но из-за ограниченного количества сопротивление канала остается большим, и эффективный канал не может быть сформирован, а ток стока ID по-прежнему приблизительно равен нулю.
Когда VGS ≥ VGS (th), электрическое поле между затвором G и подложкой p усиливается, что может привлечь больше электронов, в результате чего область подложки P инвертируется, формируется канал, а сопротивление между стоком и истоком значительно уменьшается. В этот момент, если между стоком и истоком приложено напряжение смещения, МОП-транзистор переходит во включенное состояние. ID линейно зависит от VGS в большей части диапазона тока стока, как показано на рисунке ниже.
Здесь напряжение затвор-исток VGS MOSFET аналогично напряжению затвор-сток VGE IGBT, а ток стока ID аналогичен коллекторному току IC IGBT. В IGBT на поверхности IGBT формируется канал, и устройство проводит ток, когда VGE ≥ VGE(th).
2. Кривая выходной характеристики
Выходная характеристика IGBT обычно выражается как зависимость между током стока IC и напряжением коллектор-эмиттер VCE, когда напряжение затвор-эмиттер VGE является ковариантом.
Поскольку IGBT можно эквивалентно понимать как составную структуру MOSFET и PNP, его кривая выходной характеристики сильно коррелирует с MOSFET, поэтому здесь мы все еще берем MOSFET в качестве примера для объяснения его выходных характеристик.
Если ID увеличивается по мере роста VDS, когда VDS > 0 и мал, эта часть области называется областью переменного сопротивления в МОП-транзисторах и областью ненасыщения в IGBT.
Когда VDS продолжает увеличиваться, а наклон ID-VDS уменьшается до 0, эта часть области называется областью постоянного тока в МОП-транзисторах и областью насыщения в IGBT-транзисторах.
Когда VDS увеличивается до уровня лавинного пробоя, эта область называется областью пробоя как в MOSFET, так и в IGBT.
Напряжение затвор-эмиттер VGE в IGBT аналогично напряжению затвор-исток VGS в MOSFET, ток коллектора IC аналогичен току стока ID, а напряжение коллектор-эмиттер VCE аналогично напряжению сток-исток VDS.
Разница между MOSFET и IGBT существует в линейной области (место, отмеченное красной рамкой).
В основном это связано с тем, что на эмиттерном P+/N- переходе IGBT требуется падение напряжения около 0,7 В, чтобы переход перешел от нулевого смещения к положительному смещению в начале проводимости.
Как выбрать IGBT
1. Выбор номинального напряжения IGBT для трехфазного входного напряжения 380 В после выпрямления и фильтрации, максимальное напряжение шины постоянного тока: в условиях коммутации номинальное напряжение IGBT обычно должно быть выше, чем в два раза больше напряжения шины постоянного тока, в соответствии со спецификациями IGBT по уровню напряжения, выберите IGBT 1200 В по уровню напряжения.
2. выбор номинального тока IGBT для инвертора мощностью 30 кВт, например, ток нагрузки составляет около 79 А, из-за электрического запуска или ускорения нагрузки, перегрузки по току, как правило, требуется 1-минутный период времени, чтобы выдержать 1,5-кратное превышение тока, выберите максимальный ток нагрузки около 119 А, рекомендуется выбрать уровень тока 150 А для IGBT.
3. выбор параметров переключения IGBT Частота переключения инвертора обычно не превышает 10KHZ, и в реальной работе процесса потери потока IGBT составляют большую долю, рекомендуется выбирать IGBT с низким потоком.
4. влияющие на надежность IGBT факторы.
(1) Напряжение на затворе IGBT, должно быть положительное напряжение на затворе, обычно используется значение напряжения на затворе 15 ~ 187, самое высокое до 20 В, а напряжение на затворе и сопротивление затвора Rg имеет большую взаимосвязь между конструкцией схемы привода IGBT, обратитесь к техническому описанию IGBT в номинальном значении Rg, при проектировании соответствующих параметров привода, чтобы обеспечить разумное положительное напряжение на затворе. Поскольку рабочее состояние IGBT сильно зависит от напряжения прямого затвора, чем выше напряжение прямого затвора, тем меньше потери при включении, тем меньше падение напряжения прямого затвора.
В случае мостовых схем и мощных приложений, чтобы избежать помех, при выключении IGBT на затворе подается плюсовое отрицательное напряжение, обычно в диапазоне -5-15 В, чтобы обеспечить выключение IGBT, чтобы избежать эффекта Миллера.
(2) Для того чтобы уменьшить влияние эффекта Миллера, в схеме привода затвора IGBT используйте улучшенные меры.
① включайте и выключайте, используя разные резисторы затвора Rg,ON и Rg,off, чтобы обеспечить эффективное включение и выключение IGBT; ② в источник затвора добавьте конденсатор между источником затвора, чтобы обеспечить включение и выключение IGBT.
② Добавьте емкость c между источником затвора, чтобы разрядить напряжение, создаваемое эффектом Миллера.
③ Добавьте отрицательное напряжение на затворе при выключении. В реальной конструкции для улучшения эффекта Миллера эффективнее использовать разумную комбинацию этих трех параметров.
Применение IGBT
Наиболее важная роль IGBT - это преобразование постоянного тока в переменный, а также преобразование частоты.
1. Новые энергетические транспортные средства
IGBT является основным технологическим компонентом электромобилей, зарядных свай и другого оборудования, играет жизненно важную роль в электромобилях, в основном в зарядных сваях электромобилей, электрических системах управления и системе управления кондиционированием воздуха в автомобиле.
(1) Электрическая система управления
Роль в мощном инверторе постоянного/переменного тока (DC/AC) после привода двигателя автомобиля.
(2) Система управления автомобильным кондиционером
Роль в инверторе DC/AC (DC/AC) малой мощности
(3) Зарядная куча
Используется в качестве коммутационного элемента в интеллектуальных зарядных сваях.
2. Умная сеть
IGBT используются на стороне производства электроэнергии, на стороне передачи, на стороне подстанции и на стороне потребления электроэнергии в интеллектуальных сетях.
(1) Выработка электроэнергии
При выработке энергии ветра и фотоэлектричества в выпрямителе и инверторе необходимо использовать IGBT.
(2) Передача электроэнергии
Гибкая технология передачи постоянного тока сверхвысокого напряжения FACTS требует использования большого количества IGBT.
(3) Сторона трансформатора
IGBT - ключевое устройство силового электронного трансформатора.
(4) Конец питания
Бытовая техника, микроволновые печи, светодиодные светильники и т.д. Существует большой спрос на IGBT.
3. железнодорожный транспорт
Как мы все знаем, технология привода переменного тока является одной из основных технологий современного железнодорожного транспорта, тяговый преобразователь - ключевой компонент в системе привода переменного тока, а IGBT - один из самых основных приборов тягового преобразователя, можно сказать, что этот прибор стал основным силовым электронным устройством для тягового преобразователя и различных вспомогательных преобразователей железнодорожного транспорта.
