K čemu slouží IGBT tranzistor?

IGBT tranzistory nebo bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (Insulated-Gate Bipolar Transistor) jsou výkonná spínací polovodičová zařízení, která jsou integrální strukturou sestávající ze vstupního tranzistoru s efektem pole a výkonového bipolárního tranzistoru. 99,999 % použito jako klíčová zařízení. Z hlediska elektrických vlastností představují „grapefruit“ izolovaného hradlového tranzistoru s efektem pole a bipolárního tranzistoru. IGBT tranzistor je řízen napětím jako tranzistor s efektem pole, po zapnutí má určité saturační napětí obvodu kolektor-emitor; relativně pomalé vypínání („proudový konec“, jako základ zděděný od bipolárních tranzistorů). Více podrobností o vnitřní struktuře IGBT tranzistorů je popsáno v [Encyclopedia of devices based on field-effect transistors. Dyakonov V.P. a další.SOLON-Press. 2002. 512 s.]. První výkonné tranzistory s efektem pole byly vytvořeny v SSSR.

Téměř všechny vyráběné IGBT tranzistory jsou n-kanálové. Teoreticky stávající p-kanálové IGBT tranzistory nejsou na trhu dostupné kvůli nedostatku poptávky.

Klíčové výhody IGBT tranzistorů jsou:

– vysoké spínací výkony;

– vysoké hodnoty provozního napětí;

– odolnost proti proudovému přetížení;

– nízké ovládací síly.

Oblasti použití IGBT tranzistorů:

– ve výkonových pulzních měničích a invertorech (s výkonem vyšším než 1 kW);

– v systémech indukčního ohřevu;

– v systémech řízení motoru (pohony s proměnnou frekvencí).

IGBT tranzistory se tedy používají pouze jako klíčové prvky.

V mnoha případech IGBT tranzistory obsahují integrovanou rychlou zpětnou diodu.

Symbol a vnitřní struktura IGBT tranzistoru

Symbol a ekvivalentní zjednodušená vnitřní struktura IGBT tranzistoru a skutečný ekvivalentní obvod jsou zobrazeny na obrázku níže.

Obrázek IGBT.1 – Symbol a ekvivalentní zjednodušená vnitřní struktura IGBT tranzistoru a skutečného ekvivalentního obvodu.

Některé typy IGBT tranzistorů mají integrovanou samostatnou reverzní vysokorychlostní diodu.

Základní parametry IGBT tranzistoru

Níže jsou uvedeny hlavní parametry IGBT tranzistoru, které jsou uvedeny v katalogových listech.

1. Maximální napětí mezi kolektorem a emitorem (napětí mezi kolektorem a emitorem nebo průrazné napětí kolektor-emitor) V_CES – maximální dovolené napětí mezi kolektorem a emitorem tranzistoru.

2. Saturační napětí V kolektor-emitor_CE(zapnuto) – pokles napětí mezi kolektorem a emitory v otevřeném stavu. Pro daný kolektorový proud a teplotu.

3. Maximální napětí mezi bránou a emitorem V_GE – maximální řídicí napětí zářiče. Při překročení tohoto napětí je možný průraz hradlového dielektrika a porucha tranzistoru.

4. Maximální kolektorový proud v trvalém režimu (Continuous Collector Current) I_C – maximální hodnota trvale protékajícího kolektorového proudu. Ve skutečnosti u IGBT tranzistorů proud výrazně závisí na teplotě skříně tranzistoru a provozní proud je udáván pro dvě hodnoty teploty 25 °C a 100 °C.

5. Maximální pulzní kolektorový proud I_СM – maximální hodnota pulzního proudu kolektorem. Závisí na faktoru plnění a podmínkách odvodu tepla. Zásadně omezená disipační energií krystalu.

6. Prahové napětí brány V_GE(th) – hradlové napětí, při kterém tranzistor začíná přecházet do vodivého stavu.

7. Teplotní koeficient průrazného napětí ∆V_(BR)CES/∆T_J – koeficient ukazující pokles maximálního napětí kolektor-emitor s rostoucí teplotou.

8. Teplotní koeficient prahového napětí ∆V_GE(th)/∆TJ – koeficient ukazující pokles prahového napětí hradla s rostoucí teplotou.

9. Kolektorový proud při nulovém napětí hradla-emitoru (Zero Gate Voltage Collector Current) I_CES – unikající proud přes kolektorový přechod při vypnutém tranzistoru.

10. Dopředný pokles napětí diody V_FM – pokles napětí v propustném směru na vysokorychlostní reverzní diodě integrované do konstrukce tranzistoru.

11. Disipační energie krystalu (Single Pulse Avalanche Energy) E_AS – maximální energie, která může být rozptýlena na krystalu tranzistoru, aniž by došlo k jeho zničení.

12. Maximální ztrátový výkon P_D – maximální tepelný výkon, který lze odebrat z těla tranzistoru (při dané teplotě těla tranzistoru).

13. Rozsah provozních teplot – teplotní rozsah, ve kterém lze tranzistor provozovat.

14. Tepelný odpor tranzistoru-vzduch R_θJA (Junction-to-Ambient) – maximální tepelný odpor tranzistoru-vzduch (podléhá volné konvekční výměně tepla).

15. Tepelný odpor krystalu tranzistoru – tělo tranzistoru (Junction-to-Case – IGBT) R_θJC – maximální tepelný odpor přechodu mezi krystalem tranzistoru a tělem tranzistoru.

16. Tepelný odpor krystalu diody – tělo tranzistoru (Junction-to-Case – Diode) R_θJC– maximální tepelný odpor přechodu mezi integrovaným diodovým krystalem a tělem tranzistoru.

17. Svodový proud mezi bránou a emitorem I_GES – proud hradla při určitém (obvykle maximálním) napětí hradla-zdroje.

18. Celkový poplatek za bránu Q_g – celkový náboj hradla potřebný k převedení tranzistoru do vodivého stavu.

19. Poplatek ze zdroje brány (Gate – Emitter Charge) Q_ge – nabití kapacity hradla-emitoru.

20. Brána – Sběratelský poplatek Q_gc – nabití kapacity hradlového kolektoru.

21. Čas zpoždění zapnutí t_{d (zapnuto)} – doba, za kterou tranzistor akumuluje náboj hradla, při kterém se tranzistor začne otevírat.

22. Doba náběhu proudu tranzistorem – doba, za kterou se kolektorový proud tranzistoru zvýší z 10 % na 90 %.

23. Doba zpoždění vypnutí t_{d (vypnuto)} – doba, během které se náboj hradla sníží než spínací náboj a tranzistor se začne zavírat.

24. Doba poklesu proudu tranzistorem (Fall Time) – doba, za kterou kolektorový proud tranzistoru klesne z 10 % na 90 %.

25. Energetická ztráta pro sepnutí tranzistoru (Turn-On Switching Loss) E_on – energie uvolněná v krystalu během přechodového procesu zapínání tranzistoru při daném napětí kolektor-emitor, napětí hradla a proudu kolektoru.

26. Energetická ztráta pro vypnutí tranzistoru (Turn-Off Switching Loss) E_off – energie uvolněná v krystalu během přechodového procesu vypínání tranzistoru při daném napětí kolektor-emitor, napětí hradla a proudu kolektoru.

27. Celkové energetické ztráty pro zapnutí a vypnutí tranzistoru (Total Switching Loss) E_ts– celkové energetické ztráty za provozní cyklus zapínání a vypínání tranzistoru při daném napětí kolektor-emitor, napětí hradla a proudu kolektoru.

28. Maximální rychlost nárůstu napětí zdroj-odvod (drsnost dv/dt) – maximální rychlost nárůstu napětí zdroj-odvod, při které tranzistor ještě nepřechází do vodivého stavu.

29. Vnitřní indukčnost emitoru L_E – parazitní indukčnost výstupu tranzistorového emitoru.

30. Maximální rychlost přerušení proudu během přechodu do nevodivého stavu (Diode PeakRate of Fall of Recovery) (di_(rec)M/dt) – maximální rychlost přerušení proudu integrovanou diodou při přechodu do nevodivého stavu vlivem změny polarity.

31. Nepřetržitý proud diody zdroje-odvod I_S – maximální hodnota trvale protékajícího stejnosměrného proudu parazitní pn diodou.

32. Dopředný proud pulzní diody I_SM – maximální hodnota trvale protékajícího stejnosměrného proudu parazitní pn diodou.

33. Napětí V tělese diody_SD – pokles napětí v propustném směru na diodě. Při dané teplotě a zdrojovém proudu.

34. Doba zotavení tělesa diody t_rr – doba zotavení zpětné vodivosti parazitní diody.

35. Body Diode Reverse Recovery Charge, Reverse Recovery Charge Q_rr – náboj potřebný k obnovení zpětné vodivosti parazitní diody.

36. Dopředný čas zapnutí t_on – doba přechodu diody do vodivého stavu. Obvykle je zanedbatelně malý.

37. Vstupní kapacita C_y – součet kapacit hradlo-kolektor a hradlo-emitor (při určitém napětí kolektor-emitor).

38. Výstupní kapacita C_Oes – součet kapacit „brána-kolektor“ a „kolektor-emitor“ (při určitém napětí kolektor-emitor).

39. Kapacita zpětného přenosu C_res – kapacita hradlového kolektoru.

IGBT tranzistorové parazitní kapacity

Parazitní kapacity IGBT tranzistoru (obrázek IGBT.2) způsobují pokles jeho výkonu.

Obrázek IGBT.2 – IGBT tranzistorové parazitní kapacity

Klasifikace IGBT tranzistorů podle rychlosti

Na základě rychlosti spínání jsou IGBT tranzistory rozděleny do čtyř skupin, jak je uvedeno v tabulce IGBT.1:

Tabulka IGBT.1 Klasifikace IGBT tranzistorů podle spínací rychlosti [Výkonné a účinné IGBT sedmé generace z IR. Doncov Alexandr. Výkonová elektronika č. 5, 2013].

V současné době se velká část zpráv a diskusí v polovodičovém průmyslu zaměřuje na zařízení založená na nových materiálech se širokým pásmem, jako je karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN).

Aplikace středního a vysokého výkonu, které používaly IGBT, stále existují, stejně jako samotné tranzistory. V tomto článku se blíže podíváme na IGBT a poté analyzujeme stávající a nové topologie, pro které jsou vhodné.

IGBT: fyzická struktura

IGBT je polovodičový tranzistor nebo polovodičový spínač sestávající ze čtyř střídajících se vrstev (pnpn) polovodičového materiálu (obrázek 1). Když je na bránu zařízení přivedeno vhodné napětí, je schopné vést proud; Když je toto napětí odstraněno, proud se zastaví.

Obrázek 1.

IGBT design se štěrbinovou strukturou.

Od svého zavedení byly IGBT zdokonalovány a vylepšeny, zejména pokud jde o snížení ztrát při přepínání a také vytváření tenčích struktur. V současné době IGBT často používají kombinaci drážkové hradlové struktury a vrstvy Field Stop k potlačení parazitních NPN charakteristik zařízení. To snižuje ztráty ve vedení a saturační napětí, což poskytuje výhody, jako je zvýšená hustota výkonu.

Příklady a technologie využití IGBT

IGBT se používají v široké škále aplikací, včetně solárních invertorů, systémů pro uchovávání energie, nepřerušitelných zdrojů napájení (UPS), elektrických motorových pohonů, nabíječek elektrických vozidel, průmyslových svařovacích strojů a domácích spotřebičů. Často je topologie zvolena speciálně tak, aby co nejlépe vyhovovala požadavkům konkrétní aplikace, takže porovnáme a zkontrolujeme několik oblíbených aplikací.

Průmyslové svařování

S potřebou výroby kvalitnějších svarů vzniká potřeba přesnější kontroly svařovacího procesu. Z tohoto důvodu se obvykle používá invertor spíše než konvenční svařovací transformátor, protože konstantní výstupní proud umožňuje dosažení požadované přesnosti.

S tím souvisí i bezpečnostní hledisko, protože stejnosměrný proud je obecně považován za bezpečnější. Z uživatelského hlediska je invertor menší a lehčí než transformátor, takže svařovací stroj je kompaktnější a pohodlnější k použití.

V typické svářeči se střídavé síťové napětí, buď jednofázové nebo třífázové, usměrňuje, aby se vytvořilo napětí stejnosměrné sběrnice (obrázek 2). Usměrňovač také napájí malý měnič, který produkuje napětí požadované řídicí jednotkou. Napětí stejnosměrné sběrnice napájí invertor, jehož jmenovité výstupní stejnosměrné napětí je typicky asi 30 V. Během provozu se však může zdvojnásobit, když není zátěž, a klesnout až na téměř 0 V (ve skutečnosti jde o zkrat) při zapálení svařovacího oblouku .

Obrázek 2.

Konstrukce typického svařovacího stroje.

Pro použití v invertorových svařovacích strojích je vhodná řada různých topologií. Nejběžnější jsou však topologie full-bridge, half-bridge a asymetrické (obrázek 3). V topologiích full-bridge a half-bridge je spínací frekvence desítky kilohertzů, typicky v rozsahu 20 – 50 kHz. Pracovní cyklus se nastavuje v závislosti na úrovni zátěže a výstupním napětí. Z hlediska řídicího obvodu se obvykle jedná o konstantní proud.

Obrázek 3.

Mezi běžné topologie patří full-bridge, half-bridge a asymetrické.

Průmyslové motorové pohony

Jednou z nejběžnějších průmyslových aplikací jsou průmyslové motorové pohony, které lze použít v robotice, velkých zařízeních a mnoha dalších aplikacích, kde je vyžadován pohyb. Většina motorových pohonů má konfiguraci polovičního můstku a spínací frekvence mezi 2 kHz a 15 kHz. V tomto případě výstupní napětí závisí na stavu spínačů a polaritě proudu (obrázek 4).

Obrázek 4.

Topologie polovičního můstku udávající směry toku kladné a záporné výstupní proud.

Motory jsou indukční zátěže, takže jejich proud rychle narůstá. Když teče kladný proud (I_G > 0) tranzistor na vysoké straně T₁ vede proud a uvolňuje energii do zátěže (V_G). Pokud však zatěžovací proud I_G proudí v opačném směru (záporná polarita), pak přes diodu D₁ proud teče zpět a vrací energii do stejnosměrného zdroje.

Pokud je nízkofrekvenční tranzistor T₄ vede proud a tranzistor na horní straně T₁ sepne, pak se na zátěž přivede napětí rovné –V_AUTOBUS/2), což snižuje protékající proud. Pokud je IG větší než nula, proud protéká diodou D₄, vracející energii do zdroje sběrnice.

Moderní indukční sporáky

Na rozdíl od tradičních elektrických topných těles, která se zahřívají a přenášejí tepelnou energii do pánve, indukční sporák využívá principu nabuzení drátěné cívky, aby proud cirkuloval uvnitř dna pánve (obrázek 5). Aby bylo možné indukční vaření, musí být dno pánve fyzicky blízko cívky a k tomu jsou vhodné pouze určité kovy – je zapotřebí materiál s vysokou magnetickou permeabilitou.

Obrázek 5.

Funkční schéma typického indukčního sporáku.

Teoreticky je tato technologie podobná konvenčnímu výkonovému transformátoru, kde cívka je primární vinutí a základna pánve je sekundární. Má také mnoho společného s moderními technologiemi bezdrátového indukčního nabíjení.

Teplo potřebné k ohřevu pánve se uvolňuje cirkulací vířivých proudů ve spodní vrstvě pánve, přesněji řečeno odporem proudění těchto proudů. Pomocí indukční vazby se asi 90 % energie přenese na ohřev pánve. Typická neindukční varná deska s hladkým povrchem předá jen asi 70 % energie, takže ztráty jsou sníženy třikrát.

Použitá topologie se příliš neliší od obvodu svařovacího stroje. Střídavé síťové napětí je usměrněno pro použití střídačem a malým pomocným napájecím zdrojem regulátoru. Invertor generuje proud v měděné cívce, čímž vytváří elektromagnetické pole, které indukuje vířivé proudy v pánvi. Množství generovaného tepla se rovná elektrickému odporu dna pánve vynásobenému druhou mocninou indukovaného proudu – v souladu s „Jouleovým zákonem“.

Na rozdíl od svařovacích strojů řídicí obvod indukčních sporáků často využívá frekvenční řízení. Ačkoli je tento přístup jednoduchý, problém spočívá v rozsahu frekvencí potřebných k řízení výstupního výkonu v širokém rozsahu.

Rezonanční měniče mohou pracovat s vysokou účinností i při vysokých frekvencích požadovaných pro indukční pece. Proto se v takových aplikacích běžně používají měniče založené na rezonančních obvodech, zejména rezonanční polomůstkové měniče a kvazirezonanční měniče (obrázek 6). Rezonanční polomůstkové měniče jsou ceněny zejména kvůli širokému rozsahu zatížení, které zvládnou. K minimalizaci ztrát energie se často používají moderní řídicí techniky, jako je přepínání nulového proudu nebo přepínání nulového napětí.

Obrázek 6.

Typické příklady rezonančních polomůstkových a kvazirezonančních topologií.

Kvazi-rezonanční měniče se často používají v indukčních vařičích s nízkým výkonem (špičkový výkon nižší než 2 W) kvůli nízkým nákladům na tuto topologii.

Solární invertor a UPS

Použití topologie polovičního můstku v aplikacích vyžadujících vysoké spínací frekvence představuje řadu problémů, včetně:

• Jsou možná pouze dvě výstupní napětí
• Spínací ztráty mohou být značné
• Ovládání závěrky může být složité
• Velké zatížení komponent ovlivňuje spolehlivost
• Zvýšené zvlnění proudu a elektromagnetické záření vyžadují seriózní filtraci
• Nekompatibilní se sběrnicí HVDC
• Tepelný design je netriviální úkol

V moderních aplikacích jsou topologie polovičních můstků nahrazovány v klíčových aplikacích, jako jsou zdroje nepřerušitelného napájení a solární fotovoltaické střídače. Dominantními se stávají tříúrovňové topologie známé jako I-Type a T-Type (obrázek 7).

Obrázek 7.

Tříúrovňové topologie převodníků I-Type a T-Type mají oproti polovičním můstkům řadu výhod topologie.

Existuje mnoho oblastí pro zlepšení, včetně snížení napětí na aktivních součástech, což snižuje ztráty, snižuje harmonické zkreslení a umožňuje použití menších součástek. Nejdůležitější je, že tyto topologie mohou výrazně snížit ztráty při přepínání a poskytují účinnost dosahující 98 % při vysokých pracovních frekvencích od 16 do 40 kHz.

Pohled do budoucnosti…

Ačkoli je některými považována za „starou“ technologii, IGBT nadále hraje důležitou roli v aplikacích vysokého napětí (vysoké napětí/vysoký proud). Technologie IGBT se neustále vyvíjí, hodnoty saturačního napětí se blíží 1 V a vylepšené konstrukce zvyšují hustotu výkonu a snižují ztráty.

Jako vždy musí návrháři při práci s IGBT plně porozumět požadavkům aplikace a vybrat vhodnou topologii, která poskytuje nejlepší výsledky a výkon.