Схема включения igbt транзистора

Технологии в области силовой электроники все время совершенствуются: реле становятся твердотельными, биполярные транзисторы и тиристоры заменяются все обширнее на полевые транзисторы, новые материалы разрабатываются и применяются в конденсаторах и т. д. — всюду определенно заметна активная технологическая эволюция, которая не прекращается ни на год. С чем же это связано?

Это связано, очевидно, с тем, что в какой-то момент производители оказываются не в состоянии удовлетворить запросы потребителей на возможности и качество силового электронного оборудования: у реле искрят и обгорают контакты, биполярные транзисторы для управления требуют слишком много мощности, силовые блоки занимают неприемлемо много места и т. п. Производители конкурируют между собой — кто первым предложит лучшую альтернативу…?

Так и появились полевые MOSFET транзисторы, благодаря которым управление потоком носителей заряда стало возможным не посредством изменения тока базы, как у биполярных предков, а посредством электрического поля затвора, по сути — просто приложенным к затвору напряжением.

В итоге уже к началу 2000-х доля силовых устройств на MOSFET и IGBT составляла около 30%, в то время как биполярных транзисторов в силовой электронике осталось менее 20%. За последние лет 15 произошел еще более существенный рывок, и биполярные транзисторы в классическом понимании почти полностью уступили место MOSFET и IGBT в сегменте управляемых силовых полупроводниковых ключей.

Проектируя, к примеру, силовой высокочастотный преобразователь, разработчик уже выбирает между MOSFET и IGBT – оба из которых управляются напряжением, прикладываемым к затвору, а вовсе не током, как биполярные транзисторы, и цепи управления получаются в результате более простыми. Давайте, однако рассмотрим особенности этих самых транзисторов, управляемых напряжением затвора.

MOSFET или IGBT

У IGBT (БТИЗ-биполярный транзистор с изолированным затвором) в открытом состоянии рабочий ток проходит через p-n-переход, а у MOSFET – через канал сток-исток, обладающий резистивным характером. Вот и возможности для рассеяния мощности у этих приборов различаются, потери получаются разными: у MOSFET-полевика рассеиваемая мощность будет пропорциональна квадрату тока через канал и сопротивлению канала, в то время как у БТИЗ рассеиваемая мощность окажется пропорциональна напряжению насыщения коллектор-эмиттер и току через канал в первой степени.

Если нам нужно снизить потери на ключе, то потребуется выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением канала, однако не стоит забывать, что с ростом температуры полупроводника это сопротивление вырастет и потери на нагрев все же возрастут. А вот у IGBT с ростом температуры напряжение насыщения p-n-перехода наоборот снижается, значит и потери на нагрев уменьшаются.

Но не все так элементарно, как может показаться на взгляд неискушенного в силовой электронике человека. Механизмы определения потерь у IGBT и MOSFET в корне различаются.

Как вы поняли, у MOSFET-транзистора сопротивление канала в проводящем состоянии обуславливает определенные потери мощности на нем, которые по статистике почти в 4 раза превосходят мощность, затрачиваемую на управление затвором.

У IGBT дело обстоит с точностью до наоборот: потери на переходе меньше, а вот затраты энергии на управление — больше. Речь о частотах порядка 60 кГц, и чем выше частота — тем больше потери на управление затвором, особенно применительно к IGBT.

Дело все в том, что в MOSFET неосновные носители заряда не рекомбинируют, как это происходит в IGBT, в составе которого есть полевой MOSFET-транзистор, определяющий скорость открывания, но где база недоступна напрямую, и ускорить процесс при помощи внешних схем нельзя. В итоге динамические характеристики у IGBT ограничены, ограничена и предельная рабочая частота.

Повышая коэффициент передачи и снижая напряжение насыщения — допустим, понизим статические потери, но зато повысим потери при переключении. По этой причине производители IGBT-транзисторов указывают в документации на свои приборы оптимальную частоту и максимальную скорость переключения.

Есть недостаток и у MOSFET. Его внутренний диод отличается конечным временем обратного восстановления, которое так или иначе превышает время восстановления, характерное для внутренних антипараллельных диодов IGBT. В итоге имеем потери включения и токовые перегрузки у MOSFET в полумостовых схемах.

Теперь непосредственно про рассеиваемое тепло. Площадь полупроводниковой IGBT-структуры больше чем у MOSFET, поэтому и рассеиваемая мощность у IGBT больше, вместе с тем температура перехода в процессе работы ключа растет интенсивнее, поэтому важно правильно подобрать радиатор к ключу, грамотно рассчитав поток тепла, приняв в расчет тепловые сопротивления всех границ сборки.

У MOSFET на высоких мощностях также растут потери на нагрев, сильно превосходя потери на управление затвором IGBT. При мощностях выше 300-500Вт и на частотах в районе 20-30 кГц преимущество будет за IGBT-транзисторами.

Вообще, для каждой задачи выбирают свой тип ключа, и есть определенные типовые воззрения на этот аспект. MOSFETы подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В — зарядные устройства, импульсные блоки питания, компактные инверторы небольшой мощности и т. д. — подавляющее большинство из них собирают сегодня на MOSFET.

IGBT хорошо работают на частотах до 20 кГц при напряжениях питания 1000 и более вольт — частотные преобразователи, ИБП и т. п. — вот низкочастотный сегмент силовой техники для IGBT-транзисторов.

В промежуточной нише — от 300 до 1000 вольт, на частотах порядка 10 кГц, — подбор полупроводникового ключа подходящей технологии осуществляют сугубо индивидуально, взвешивая все за и против, включая цену, габариты, КПД и другие факторы.

Между тем нельзя однозначно сказать, что в одной типовой ситуации подойдет именно IGBT, а в другой — только MOSFET. Необходимо комплексно подходить к разработке каждого конкретного устройства. Исходя из мощности прибора, режима его работы, предполагаемого теплового режима, приемлемых габаритов, особенностей управления схемой и т.д.

И главное — выбрав ключи нужного типа, разработчику важно точно определить их параметры, ибо в технической документации (в даташите) отнюдь не всегда все точно соответствует реальности. Чем более точно будут известны параметры — тем эффективнее и надежнее получится изделие, независимо от того, идет ли речь об IGBT или о MOSFET.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.

БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.

IGBT транзистор — это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.

Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки "Ресанта" и других аналогичных аппаратах.

Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.


Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n — канал между истоком и стоком. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.

История появления БТИЗ.

Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.

Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.

Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах, а третье поколение выпускается по настоящее время: в них устранены подобнее недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляемая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.

Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах.

Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор — З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.


Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.

Особенности и сферы применения БТИЗ.

Отличительные качества IGBT:

Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);

Имеют низкие потери в открытом состоянии;

Могут работать при температуре более 100 0 C;

Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.

Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.

Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.

IGBT-модули.

IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого "частотника") для управления трёхфазным двигателем.


IGBT модуль

Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).

Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.

Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.

Раз уж на нашем сайте появились статьи о ШИМ и регулировании мощности нагрузки с помощью микроконтроллеров, то нельзя обойти стороной тему об управлении силовыми ключами. Именно силовые ключи (транзисторы) являются финальным звеном в схеме регулирования мощности нагрузки, примеры схем приведены в статьях об электроприводе постоянного тока.

В настоящее время в качестве силовых ключей большой и средней мощности применяются в основном MOSFET и IGBT транзисторы. Если рассматривать эти транзисторы как нагрузку для схемы их управления, то они представляют собой конденсаторы с ёмкостью в тысячи пикофарад. Для открытия транзистора, эту ёмкость необходимо зарядить, а при закрывании – разрядить, и как можно быстрее. Сделать это нужно не только для того, чтобы ваш транзистор успевал работать на высоких частотах. Чем выше напряжение на затворе транзистора, тем меньше сопротивления канала у MOSFET или меньше напряжение насыщения коллектор-эмиттер у IGBT транзисторов. Пороговое значение напряжения открытия транзисторов обычно составляет 2 – 4 вольта, а максимальное при котором транзистор полностью открыт 10-15 вольт. Поэтому следует подавать напряжение 10-15 вольт. Но даже в таком случае ёмкость затвора заряжается не сразу и какое-то время транзистор работает на нелинейном участке своей характеристики с большим сопротивлением канала, что приводит к большому падению напряжения на транзисторе и его чрезмерному нагреву. Это так называемое проявление эффекта Миллера.

Для того чтобы ёмкость затвора быстро зарядилась и транзистор открылся, необходимо чтобы ваша схема управления могла обеспечить как можно больший ток заряда транзистора. Ёмкость затвора транзистора можно узнать из паспортных данных на изделие и при расчете следует принять Свх = Сiss.

Для примера возьмём MOSFET – транзистор IRF740. Он обладает следующими интересующими нас характеристиками:

Время открытия (Rise Time — Tr) = 27 (нс)

Время закрытия (Fall Time — Tf) = 24 (нс)

Входная ёмкость (Input Capacitance — Сiss) = 1400 (пФ)

Максимальный ток открытия транзистора рассчитаем как:

Максимальный ток закрытия транзистора определим по тому же принципу:

Так как, обычно мы используем для питания схемы управления 12 вольт, то токоограничивающий резистор определим используя закон Ома.

То есть, резистор Rg=20 Ом, согласно стандартному ряду Е24.

Заметьте, что управлять таким транзистором напрямую от контроллера не получится, введу того, что максимальное напряжение, которое может обеспечить контроллер, будет в пределах 5 вольт, а максимальный ток в пределах 50 мА. Выход контроллера будет перегружен, а на транзисторе будет проявляться эффект Миллера, и ваша схема очень быстро выйдет из строя, так как кто-то, или контроллер, или транзистор, перегреются раньше.
Поэтому необходимо правильно подобрать драйвер.
Драйвер представляет собой усилитель мощности импульсов и предназначен для управления силовыми ключами. Драйверы бывают верхнего и нижнего ключей в отдельности, либо объединенные в один корпус в драйвер верхнего и нижнего ключа, например, такие как IR2110 или IR2113.
Исходя из информации изложенной выше, нам необходимо подобрать драйвер, способный поддерживать ток затвора транзистора Ig = 622 мА.
Таким образом, нам подойдёт драйвер IR2011 способный поддерживать ток затвора Ig = 1000 мА.

Так же необходимо учесть максимальное напряжение нагрузки, которое будут коммутировать ключи. В данном случае оно равно 200 вольт.
Следующим, очень важным параметром является скорость запирания. Это позволяет устранить протекание сквозных токов в двухтактных схемах, изображенной на рисунке ниже, вызывающие потери и перегрев.

Если вы внимательно читали начало статьи, то по паспортным данным транзистора видно, что время закрытия должно быть меньше времени открытия и соответственно ток запирания выше тока открытия If>Ir. Обеспечить больший ток закрытия, можно уменьшив сопротивление Rg, но тогда также увеличится и ток открытия, это повлияет на величину коммутационного всплеска напряжения при выключении, зависящего от скорости спада тока di/dt. С этой точки зрения повышение скорости коммутации является в большей степени негативным фактором, снижающим надежность работы устройства.

В таком случае воспользуемся замечательным свойством полупроводников, пропускать ток в одном направлении, и установим в цепи затвора диод, который будет пропускать ток запирания транзистора If.

Таким образом, отпирающий ток Ir будет протекать через резистор R1, а запирающий ток If — через диод VD1, а так как сопротивление p – n перехода диода намного меньше, чем сопротивление резистора R1, то и If>Ir. Для того чтобы ток запирания не превышал своего значения, последовательно с диодом включим резистор, сопротивление которого определим пренебрегая сопротивлением диода в открытом состоянии.

Возьмем ближайший меньший из стандартного ряда Е24 R2=16 Ом.

Теперь рассмотрим, что же обозначает название драйвера верхнего и драйвера нижнего ключа.
Известно, что MOSFET и IGBT транзисторы управляются напряжением, а именно напряжением заствор-исток (Gate-Source) Ugs.
Что же такое верхний и нижний ключ? На рисунке ниже приведена схема полумоста. Данная схема содержит верхний и нижний ключи, VT1 и VT2 соответственно. Верхний ключ VT1 подключен стоком к плюсу питания Vcc, а истоком к нагрузке и должен открываться напряжением приложенным относительно истока. Нижний же ключ, стоком подключается к нагрузке, а истоком к минусу питания (земле), и должен открываться напряжением, приложенным относительно земли.

И если с нижним ключом все предельно ясно, подал на него 12 вольт – он открылся, подал на него 0 вольт — он закрылся, то для верхнего ключа нужна специальная схема, которая будет открывать его относительно напряжения на истоке транзистора. Такая схема уже реализована внутри драйвера. Все что нам нужно, это добавить к драйверу бустрептную ёмкость С2, которая будет заряжаться напряжением питания драйвера, но относительно истока транзистора, как это изображено на рисунке ниже. Именно этим напряжением и будет отпираться верхний ключ.

Данная схема вполне работоспособна, но использование бустрептной ёмкости позволяет ей работать в узких диапазонах. Эта ёмкость заряжается, когда открыт нижний транзистор и не может быть слишком большой, если схема должна работать на высоких частотах, и так же не может быть слишком маленькой при работе на низких частотах. То есть при таком исполнении мы не можем держать верхний ключ бесконечно открытым, он закроется сразу после того как разрядится конденсатор С2, если же использовать ёмкость побольше, то она может не успеть перезарядится к следующему периоду работы транзистора.
Мы не раз сталкивались с данной проблемой и очень часто приходилось экспериментировать с подбором бустрептной ёмкости при изменении частоты коммутации или алгоритма работы схемы. Проблему решили со временем и очень просто, самым надежным и «почти» дешевым способом. Изучая Technical Reference к DMC1500, нас заинтересовало назначение разъёма Р8.

Почитав внимательно мануал и хорошо разобравшись в схеме всего привода, оказалось, что это разъём для подключения отдельного, гальванически развязанного питания. Минус источника питания мы подключаем к истоку верхнего ключа, а плюс ко входу драйвера Vb и плюсовой ножке бустрептной ёмкости. Таким образом, конденсатор постоянно заряжается, за счет чего появляется возможность держать верхний ключ открытым на столько долго, на сколько это необходимо, не зависимо от состояния нижнего ключа. Данное дополнение схемы позволяетреализовать любой алгоритм коммутации ключей.
В качестве источника питания для заряда бустрептной ёмкости можно использовать как обычный трансформатор с выпрямителем и фильтром, так и DC-DC конвертер.

Оцените статью
ТехПорт