Меню

Igbt при импульсном токе

IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

В настоящее время в электронике имеют большую популярность IGBT транзисторы. Если расшифровать эту аббревиатуру с английского языка, то это биполярный транзистор с изолированным затвором. Он применяется в виде электронного мощного ключа для систем управления приводами механизмов, в источниках питания.

IGBT транзисторы

Этот силовой транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.

Наибольшей популярностью пользуются IGBT в силовых цепях преобразователей частоты и электродвигателей переменного тока мощностью до 1 мегаватта. По вольтамперным свойствам эти транзисторы аналогичны биполярным моделям полупроводников, но качество и чистота коммутации у них намного больше.

Современные технологии изготовления дают возможность оптимизировать транзисторы по функциональным характеристикам. Уже разработаны полупроводники, способные работать при большем напряжении и величине тока.

Основные параметры

  • Управляющее напряжение – это разность потенциалов, способная управлять работой затвора.
  • Наибольший допустимый ток.
  • Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.
  • Ток отсечки эмиттер-коллектор.
  • Напряжение насыщения эмиттер-коллектор.
  • Входная емкость.
  • Выходная емкость.
  • Паразитная индуктивность.
  • Период задержки подключения.
  • Период задержки выключения.
  • Внутреннее сопротивление.

В регуляторах скорости применяются IGBT транзисторы с рабочей частотой в несколько десятков кГц.

Достоинства

  • Простая параллельная схема.
  • Отсутствие потерь.
  • Повышенная плотность тока.
  • Устойчивость к замыканиям.
  • Малые потери в открытом виде.
  • Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).
  • Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).
При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:
  • Правильный подбор тока защиты.
  • Выбор сопротивления затвора.
  • Использование обходных путей коммутации.
Устройство и работа

Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.

Skhema tranzistora

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:
  • При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.
  • Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.

Bipoliarnyi tranzistor s izolirovannym zatvorom

IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению. Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:
  • С помощью привязки к определенному значению напряжения. Это достигается тогда, когда драйвер затвора имеет постоянное напряжение. Главным способом является добавление в схему диода, имеющего малое падение напряжения (диод Шоттки). Значительный эффект получается путем уменьшения индуктивности цепи затвора и питания.
  • Ограничение значения напряжения затвора путем использования стабилитрона в схеме затвора и эмиттера. Неплохая эффективность получается за счет установки диодов к дополнительным клеммам модуля. Диоды применяются с малым разбросом и температурной зависимостью.
  • Подключение в цепь отрицательной обратной связи эмиттера. Такой способ доступен, когда подключен эмиттер драйвера затвора к клеммам эмиттера модуля.
Сфера использования

IGBT транзисторы чаще всего работают в сетях высокого напряжения до 6,5 киловольт для надежной и безопасной работы электроустановок в аварийном режиме при коротких замыканиях.

Вышеперечисленные свойства транзисторов дают возможность использовать их в частотно-регулируемых приводах, инверторах, импульсных регуляторах тока, а также в сварочных аппаратах.

Также IGBT применяются в системах мощных приводов управления электровозов, троллейбусов. Это повышает КПД и создает повышенную плавность хода.

Силовые транзисторы широко используются в цепях высокого напряжения. Они входят в состав схем посудомоечных машин, бытовых кондиционеров, автомобильного зажигания, блоков питания телекоммуникационного оборудования.

Проверка исправности

IGBT транзисторы проверяются в случаях ревизии при неисправностях электрического устройства. Проверку проводят с помощью мультитестера путем прозвонки электродов эмиттера и коллектора в двух направлениях, чтобы проверить отсутствие замыкания. Емкость входа эмиттер-затвор необходимо зарядить отрицательным напряжением. Это делается кратковременным касанием щупа мультиметра «СОМ» затвора и щупа «V/Ω/f» эмиттера.

IGBT tranzistory oboznacheniia 1

Чтобы произвести проверку, нужно убедиться, работает ли в нормальном режиме транзистор. Для этого зарядим емкость на входе эмиттер-затвор положительным полюсом. Это делается коротким касанием щупа «V/Ω/f» затвора, а щупа «СОМ» эмиттера. Контролируется разность потенциалов эмиттера и коллектора, которая не должна превышать 1,5 вольта. Если напряжения тестера не хватит для открывания транзистора, то входную емкость можно зарядить от питания напряжением до 15 вольт.

Условное обозначение
Транзисторы имеют комбинированную структуру, то и обозначения у них соответствующие:

IGBT tranzistory oboznacheniia 2

IGBT модули

Силовые транзисторы производятся не только в виде отдельных полупроводников, но и в виде модулей. Такие модули входят в состав частотных преобразователей для управления электромоторами.

IGBT tranzistory moduli

Схема преобразователя частоты имеет технологичность изготовления выше, если в состав входят модули IGBT транзисторов. На изображенном модуле выполнен мост из двух силовых транзисторов.

IGBT транзисторы нормально функционируют при рабочей частоте до 50 кГц. Если частоту повышать, то повышаются и потери. Свои возможности силовые транзисторы проявляют максимально при напряжении выше 400 В. Поэтому такие транзисторы часто встречаются в мощных электрических приборах высокого напряжения, а также в промышленном оборудовании.

Из истории возникновения

Полевые транзисторы стали появляться в 1973 году. Затем разработали составной транзистор, который оснастили управляемым транзистором с помощью полевого полупроводника с затвором.

Первые силовые транзисторы имели недостатки, выражавшиеся в медленном переключении, низкой надежностью. После 90 годов и по настоящее время эти недостатки устранены. Силовые полупроводники имеют повышенное входное сопротивление, малый уровень управляющей мощности, малый показатель остаточного напряжения.

Сейчас существуют модели транзисторов, способных коммутировать ток до нескольких сотен ампер, с рабочим напряжением в тысячи вольт.

Источник

Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения

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.

Полевой MOSFET транзистор

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.

MOSFET и IGBT транзисторы

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.

MOSFET или IGBT

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.

Транзистор 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.

Читайте также:  Допустимое превышение тока двигателя

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.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

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.

Источник

Модуль IGBT для частотного преобразователя, эксплуатация на практике

igbt модуль для частотника

В статье описываются основы применения перспективных силовых модулей для повышения возможностей частотных преобразователей. Они позволяют удешевить многие решения в области электропривода с использованием мощных асинхронных двигателей.

Insulated Gate Bipolar Transistor

Заголовок этого раздела переводится как “биполярный транзистор с изолированным затвором” (англ.). Это современный прибор, появившийся примерно в конце прошлого века и сделавший революцию в силовой электронике. Электроэнергия используется человечеством уже давно, по мере развития техники одна часть возникающих проблем была успешно решена как например, отказ от дорогих магнитных сплавов в пользу дешевой стали и медных обмоток возбуждения в двигателях постоянного тока и магнитах (Вернер Сименс). Другая часть проблем долго и упорно не поддавалась решению. К ней, например, можно отнести использование переменного тока в электротранспорте.

Электротехнические устройства всегда содержат элементы коммутации и это самые больные их места. При разрыве многих электрических цепей возникает дуга, пережигающая со временем контакты. Сопротивление контактов в идеале должно быть не больше, чем самый маленький участок остальной цепи, но на практике, именно благодаря окислам от дуги, в месте контакта возникает повышенное сопротивление. По закону Джоуля-Ленца на этом сопротивлении возникает и рассеивается тепловая мощность пропорциональная сопротивлению и квадрату тока. Нагрев током места контакта приводит к его ускоренному старению, чем дальше, тем быстрее, и в результате цепь выходит из строя.

Полупроводниковые переключатели

Задача любого ключа в электротехнике – обеспечить короткое замыкание. Идеальный ключ это тот, который имеет:

  1. бесконечно большое сопротивление в открытом состоянии;
  2. нулевое время включения (замыкания);
  3. нулевое сопротивление в замкнутом состоянии;
  4. нулевое время отключения.

Инженеры долго пытались использовать и вакуум, и различные газы, и ртуть, и масло, и золото с платиной, и еще много чего, для того, чтобы сделать быстродействующие переключатели, не боящиеся дуги и успешно борющиеся с нею. Решение нашлось только в полупроводниковых материалах, появившихся к началу второй половины прошлого века и далеко не сразу. Сначала полупроводниковые диоды, работавшие на промышленной частоте, затем биполярные транзисторы, переход с германия на кремний, некоторое повышение рабочих частот, изобретение тиристора, jfet-транзисторов, примерно таким путем шла электроника к понятию и термину силовой транзисторный ключ (СТК).

В поисках идеального ключа физики твердого тела и и инженеры дошли до MOSFET: “Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor” (“металл-окисел-полупроводник” МОП-транзистор, транзистор с изолированным затвором). Это потрясающий прибор, который сделал первую революцию в силовой импульсной технике. Он способен переключать значительные токи всего лишь присутствием (или отсутствием, в зависимости от типа) электрического поля на затворе. Ток в цепи управления оказался не нужен, однако, при повышении рабочих частот пришлось кормить током паразитную емкость затвора, и это вызвало свои проблемы.

К недостаткам привычных на тот момент биполярных транзисторов относились:

  • большой ток в цепи управления;
  • малый коэффициент передачи тока;
  • сильный разброс параметров от экземпляра к экземпляру;
  • зависимость параметров от температуры;
  • малая допустимая плотность токов в импульсных режимах;
  • знакопеременное напряжение на базе для запирания;
  • склонность к накоплению тока;
  • большое время рассасывания неосновных носителей.

Что касается полевых транзисторов, то они лишены этих недостатков в силу самого принципа своего устройства. В них нет p-n перехода со всеми его проблемами. К недостаткам полевого МОП-транзистора относятся довольно неважные качества прямой проводимости, особенно с ростом рабочего напряжения приборов. Биполярные, в этом отношении, могут иметь довольно малое напряжение коллектор-эмиттер в открытом состоянии. MOSFET нашли себе хорошее применение в высокочастотной импульсной технике.

IGBT-транзисторы

IGBT модуль для частотника

Объединив положительные качества биполярных и полевых, с изолированным затвором, транзисторов, можно получить для низкочастотной (имеется в виду промышленная частота 50-60 Hz) техники весьма достойный переключающий элемент – IGBT. Его обозначение и упрощенная эквивалентная схема показана на рисунке выше. Схема собрана подобно дарлингтоновской для биполярных. Полевой транзистор с n-каналом фактически служит усилителем тока с большим усилением, и хорошо открывает связанный с ним биполярный транзистор, который служит силовым в данной паре.

Его эмиттер в этой структуре назван коллектором и наоборот (по “принципу утки” – по отношению к клеммам прибор отчасти ведет себя как биполярный транзистор с гигантским усилением). В то же время, нельзя считать IGBT простой схемой, которую “спаяли” из n-канального полевого и pnp-биполярного транзисторов, – это именно полупроводниковая структура, а не схема. Формальные переход база-коллектор биполярной части и канал полевой образуют единую структуру на кристалле.

Область применения IGBT транзисторов по электрическим параметрам лежит от 300 В и выше, по частоте – до 10 кГц. Это как раз хорошо подходит для промышленной частоты (в применении частотников). IGBT применяются в электроприводах, начиная от небольших электроинструментов вплоть до электровозов. То, что они работают в области не очень высоких частот, в отличие от mosfet, избавляет от множества проблем, связанных с паразитными индуктивностями и емкостями – управляющий транзистор в такой структуре чувствует себя вполне комфортно, его частота переключений сравнительно невелика. Значит, легче перезаряжать затворную емкость.

Большой проводимости от него, в данном случае, не требуется. Выходной pnp биполярный транзистор устроен таким образом, что выдерживает большое обратное напряжение и может работать в инверсном режиме. Простота управления IGBT и область безопасной работы оказались гораздо выше, чем у биполярных транзисторов. IGBT, как таковые, не имеют встроенного обратного диода, но такой диод с быстрым восстановлением может быть добавлен в схему или внешним образом, или интегрирован на кристалле, если это нужно для той области, для которой предназначается прибор.

IGBT появились в 1983 году (в IR запатентовали первый образец). Первые образцы неважно переключались и были ненадежными, поэтому на рынок, как следует, не вышли. Трудности были технологическими, связанными с получением пластин толщиной около 100 мкм. Их преодоление, а также появление Trench-технологии для изготовления MOSFET позволили резко снизить сопротивление канала в открытом состоянии, и это позволило приблизить свойства IGBT практически к свойствам традиционного механического выключателя, но без присущего ему образования дуги и на несколько порядков высоким быстродействием.

Транзисторы IGBT применяют в частотных преобразователях, устройствах плавного пуска, они интенсивно вытесняют тиристоры из всех областей, несмотря на свою значительную цену. Из используют в источниках питания, инверторах, электроприводах, сварочных питающих устройствах, на транспорте.

Модули IGBT

Поскольку IGBT, как правило, крайне редко применяются в одиночном варианте, конструкторы стали думать о модульных вариантах их компоновки. Модуль конструктивно гораздо проще и компактнее использовать в изделиях. Но не только это.

Очень важной функцией IGBT-модулей является возможность наращивать мощность частотных преобразователей, инверторов без больших материальных затрат!

Маломощный частотный преобразователь с развитыми функциями управления стоит гораздо дешевле мощного. Мощный IGBT-модуль недешев сам по себе, но мощный IGBT-модуль и недорогой но “умный” частотник по цене могут оказаться в несколько раз дешевле. Потребителям, (да и производителям) есть о чем подумать.

Потребуется, правда, вмешательство достаточно квалифицированных инженеров, так как речь идет о переделке схемы частотников, так как далеко не все модели допускают такое расширение: там нет ни выходов для таких подключений, и ни слова в инструкциях, кроме, разве что, запрета вмешательства в схему преобразователя со стороны потребителей и отказа об ответственности для таких случаев. Кроме технической стороны дела, есть еще и возможная юридическая: возможное нарушение патентов, лицензий и т.д. Это тоже надо иметь в виду.

Модуль IGBT для преобразователя частоты

Со схемой управления IGBT-модули связываются при помощи драйверов, так как встроенных драйверов модули не имеют. Это специальные интегральные схемы, которые позволяют эффективно управлять затворами IGBT и выжать из них максимальную эффективность. Главное, для чего нужны драйверы – до предела снизить времена переключения IGBT, и, тем самым, приблизить их к идеальному ключу из учебников по электротехнике. Затем, согласовать их со схемой управления электрически, в том числе, обеспечить гальваническую развязку при необходимости.

Читайте также:  Чтобы не получить удар током продолжить фразу

igbt модуль для частотника

Если для усиления частотного преобразователя используются внешние модули IGBT, то остается только подключить к ним выходы драйверов. Ниже показана схема модуля для преобразователя частоты:

igbt модуль для частотника

Модуль крепится винтами на охлаждающий алюминиевый радиатор через теплопроводящую свинцовую пасту или специальные керамические прокладки. Эти поверхности должны лежать строго в одной плоскости и быть совершенно чистыми при сборке! Иначе не будет обеспечен достаточный теплоотвод. Кстати, о температуре. В модуль встроен термисторный датчик температуры (клеммы 22 и 23). Рабочая температура в модуле не должна превышать 100°C. Для снятия достаточного тока сделаны дополнительные петли на силовых контактах (модуль выполнен под пайку).

Контакты 1,2,3; 4,5,6; 7,8,9 подключаются к питающей трехфазной сети.

Контакты 38,39,40 являются плюсовой шиной сетевого выпрямителя, а контакты 41,42,43 – отрицательной.

Контакты 33,34,35 являются плюсовой шиной выходного инверторного моста, а контакты 30,31,32 – отрицательной. Последние четыре перечисленные группы, а также контакт 29, группа 36,37 образуют выходы для звена постоянного тока.

Контакты 10, 28 служат для подключения к драйверу, управляющему работой выходной фазы частотника. Аналогичную роль играют группы 14, 26 и 18, 24 для двух оставшихся фаз. Контакты 11, 12, 13 – это выход одной фазы инвертора, а группы 15,16,17 и 19,20,21 выходы двух остальных фаз.

Правильные временные диаграммы ШИМ и достаточная эффективность драйверов, которые должны справиться с зарядкой и разрядкой емкости затвора транзистора, – это залог того, что двигатель вообще будет вращаться и ничего не сгорит. Поэтому инверторный мост предварительно надо запитать от маломощного источника постоянного тока с ограничением тока и убедиться, при помощи осциллографа, в отсутствии сквозных токов, правильности “синусов”, формируемых мостом, правильном сдвиге фаз, на всех частотах, которые выдает преобразователь. Питание управления в частотном преобразователе также подается лабораторным способом.

Сигнал обратной связи по температуре модуля также должен быть корректным. Подогревая модуль каким-либо способом в пределах 20…80°C, необходимо контролировать его фактическую температуру точным термометром. Затем найти в меню преобразователя пункт с соответствующим параметром, проконтролировать его.

Если мы убедимся, что драйверы надежно управляют модулем, а сигнал обратной связи по температуре не содержит ошибок, то тогда можно делать монтаж, собирать звено постоянного тока и затем снова сделать проверку на двигателе небольшой мощности, через предохранители, рассчитанные на соответствующий ток, включаемые в каждую фазу.

Причины нагрева модулей и необходимость их охлаждения

Поскольку наши ключи не являются идеальными, то есть, они не обеспечивают идеального короткого замыкания, то в открытом состоянии их сопротивление не равно нулю. Значит, на этом сопротивлении рассеивается джоулево тепло. Это один источник, и не самый значительный.

Кроме открытого состояния, есть еще переходные процессы, связанные с включением и выключением. В этот период сопротивление коллектор-эмиттер уменьшается от нескольких гОм, до единиц или десятков миллиОм. В момент равенства сопротивления ключа сопротивлению остальной цепи, рассеиваемая мощность достигает максимума. Затем мощность спадает до уровня открытого состояния. Получается импульс мощности. Если мы проинтегрируем его по промежутку времени, в течение которого происходит процесс включения, то найдем тепловую энергию этого импульса.

При выключении происходит нечто аналогичное, но в обратном направлении. Потери в цепи управления, на фоне потерь в силовой цепи, выглядят игрушечными ими можно пренебречь (это проблемы не потребителей, а разработчиков). Потери в открытом ключе – это понятие академическое, на практике составляют ноль безоговорочно. Картина включения и выключения IGBT хорошо показана ниже.

igbt модуль для частотника

V( GE ) – напряжение затвор-эмиттер, I( C ) – ток коллектора.

При включении IGBT возникает импульс тока, при выключении – импульс напряжения, за счет индуктивного характера нагрузки. Динамический диапазон может быть довольно значителен, а скорость переходных процессов весьма небольшая. Чтобы подавить обратные всплески напряжения, нужны импульсные быстродействующие диоды, от которых также, в свою очередь, требуется и быстрое восстановление. IGBT переключаются с частотой ШИМ-модулятора, а это единицы и более десятка кГц.

Чем выше выбирают частоту модуляции, тем точнее можно воспроизвести синусоиду, но тем больше и потерь переключения, те больше греется радиатор модуля и тем больше радиопомех возникает. Чем меньше частота модуляции, тем легче работать модулю IGBT, но тем больше гармоник тока в силовой цепи и ее реактивная мощность. Поэтому потребителю дается возможность выбирать частоту модуляции ШИМ в пределах 2…16 кГц (разные модели частотников имеют разные диапазоны) с дискретным шагом в несколько ступеней.

На радиаторах модулей IGBT может рассеиваться мощность от единиц Вт, до нескольких кВт, в зависимости от мощности модулей. В общем и целом, можно считать, что современные модули IGBT рассеивают в тепло около 0,3…0,5% коммутируемой мощности. Это довольно неплохо, по сравнению с техникой прежних лет.

Эксплуатация модулей на практике

Самое главное, не перегружать модули по току. С напряжением все более-менее ясно, для рекуперирования тормозной мощности и подавления всплеска напряжения на звене постоянного тока меры приняты в самом преобразователе и можно использовать тормозные резисторы.

Перегрузку по току можно условно поделить на три диапазона. Небольшая перегрузка возникает при торможении двигателя самим механизмом, с этим преобразователь справляется сам вполне корректно. Он или предупреждает пользователя, или позволяет себе немного “отдохнуть”, все зависит от настроек.

Значительная перегрузка, аварийная, возникает при заклинивании вала двигателя по каким-то причинам. В таком случае преобразователь частоты успевает отключить аварийную цепь и сигнализирует об этом на дисплее и на специальном выходе (аварийное реле).

Наконец, есть перегрузка, с которой модуль уже не справится даже в самом умном частотном преобразователе. Это короткое замыкание в кабеле от модуля до двигателя. В этом случае, поскольку индуктивности петли замыкания составляют доли мкГн, а проводимость источника тока (питающей подстанции и кабелей) очень велика, то скорость нарастания тока достигает порядка нескольких килоампер в микросекунду!

За это время не успеет сработать никакая обратная связь и модуль будет пробит током. В результате он просто расплавится. Поэтому нужно использовать только надежные двигатели и брать кабели с запасом, и по механической, и по тепловой, и по электрической прочности. Нам очень желательно иметь как можно более короткое замыкание в самом ключе, но боже упаси получить его в питаемой нагрузке. Это гарантированно убьет IGBT да и подвергнет большому риску привязанную к нему электронику.

При замене модулей IGBT следует помнить (или вообще знать), что полевые транзисторы очень легко могут быть выведены из строя подачей на затвор большого потенциала, или даже просто статического заряда от тела человека! Дорогущий модуль IGBT может быть уничтожен пальцем в буквальном смысле, если человек заряжен статикой в сухом помещении. Поэтому ни в коем случае нельзя измерять в модуле его “исправность” различными пробниками и даже мультиметром. Перед монтажом надо убрать все статические заряды при помощи правильного заземления, использовать заземленные паяльники, а все оборудование обязательно должно быть отключено от сети. Затворы следует подключать к драйверам только после подключения всех силовых цепей модуля.

При запуске в эксплуатацию надо обязательно проверить условия охлаждения модулей, особенно при мощной нагрузке. Не всегда для этого хватает естественной конвекции, преобразователи и инверторы могут иметь вентиляторы, надо проследить, чтобы они не были перекрыты или забиты пылью. Охлаждающий радиатор заземлен (модули изолированы электрически от своей охлаждающей поверхности, так что может быть применено дополнительное охлаждение радиатора, если частотник, например, установлен в горячем месте “по необходимости”. Здесь есть над чем подумать не только местным специалистам но и производителям: на одном предприятии в жаркой котельной применялось водяное охлаждение! Радиатор был полностью переделан, и охлаждался проточной холодной водой.

Источник



Транзисторы IGBT

Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи.

Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи.

Модуль IGBT

Применение электронных ключей позволяет упростить схему преобразователей, значительно уменьшить габариты устройств, улучшить технические характеристики.

Основные характеристики полупроводниковых коммутаторов:

  • Ток или напряжение управления.
  • Номинальное напряжение и ток силового канала.
  • Сопротивление канала.
  • Допустимая частота переключений.
  • Статические и динамические потери.

В схемах преобразователей используют двухоперационные тиристоры с управляющими электродами (GTO и IGCT), силовые биполярные (БП) и полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Первые силовые электронные устройства были выполнены на базе тиристоров и биполярных транзисторов. Первые при всех своих достоинствах не могут обеспечить необходимое быстродействие, управляемые тиристоры используют в среднечастотной области.

Применение биполярных транзисторов существенно ограничивает невысокий коэффициент передачи тока, значительный температурный разброс этого параметра, управление знакопеременным напряжением, невысокая плотность тока силовой цепи.

В схемы с биполярными транзисторами приходится включать дополнительные цепи, обеспечивающие управление и защиту полупроводниковых элементов. Это существенно увеличивает стоимость преобразователей и усложняет их производство.

Основные полупроводниковые элементы силовой электроники сейчас – полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

MOSFET-транзисторы применяются в основном в высокочастотных низковольтных преобразователях, область применения IGBT – мощные высоковольтные схемы.

Конструкция и принцип работы силовых транзисторов

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или биполярный силовой транзистор с изолированным затвором – элемент из двух транзисторов в общей полупроводниковой структуре, устроенный по каскадной схеме. Биполярный транзистор образует силовой канал, полевой – канал управления. Объединение полупроводниковых элементов реализовано структурой элементных ячеек в одном кристалле.

Упрощенная эквивалентная схема биполярных транзисторов с изолированным затвором представлена на рисунке:

Читайте также:  Как найти ток короткого замыкания трансформатора

IGBT – приборы появились после того, как были выявлены недостатки MOSFET транзисторов в высоковольтных схемах: квадратичная зависимость сопротивления канала от напряжения.

Полупроводниковые приборы IGBT сочетают достоинства силовых биполярных и полевых транзисторов с изолированным затвором:

  • Небольшая мощность управления.
  • Высокая скорость переключения.
  • Маленькие потери при открытом транзисторе.
  • Высокое номинальное напряжение силового канала.

Сопротивление канала IGBT-элементов растет пропорционально току, зависимость потерь от величины тока не квадратичная, как у транзисторов MOSFET. Быстродействие силовых элементов с изолированным затвором превосходит скорость коммутации биполярных транзисторов, но уступает элементам MOSFET.

Сопротивление канала IGBT-элементов

Структура IGBT представлена на рисунке. В области стока нанесен еще один дополнительный p+-слой, который образует биполярный транзистор.

При закрытом ключе, напряжение приложено к n–-слою. При подаче на изолированный затвор управляющего напряжения, область р образует открытый канал, включая полевой транзистор, который в свою очередь отпирает биполярный p-n-p элемент. Между внешним коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока полевой ячейки усиливается. При открытой биполярной ячейке, остаточное напряжение в n–-области падает еще благодаря потокам электронов и дырок.

Напряжение на включенном транзисторе определяется из выражения:

Напряжение на включенном транзисторе

Где Uбэ – напряжение база-эмиттер открытого ключа, Rпол – сопротивление полевой ячейки, Iб – ток базы, Iк – ток коллектора, B – коэффициент передачи тока биполярной ячейки. Для снижения падения напряжения на открытых IGBT приборах применяют вертикальные затворы. Площадь ячейки транзистора уменьшают в 2-5 раз.

Падение напряжения на открытом IGBT зависит от температуры гораздо меньше аналогичного параметра MOSFET-транзисторов. На рисунке приведен график падения напряжения в функции температуры для 2 IGBT транзисторов и одного полевого прибора.

Как и биполярные транзисторы, IGBT способны накапливать заряд, который является причиной остаточного тока и нагрева прибора при запирании. Между электродами и переходами полевой и биполярной элементной ячейки образуются паразитные емкости. Время рассасывания заряда для IGBT прибора составляет всего 0,2-1,5 мкс, при коммутации с частотой 10-20 кГц для надежной работы транзисторов не нужно включать в схему дополнительные цепи.

Потери в транзисторах

Различают 3 типа потерь мощности на транзисторах: статические, динамические, в цепи управления.

Первые обусловлены токами утечки в запертом состоянии, сопротивлением полупроводникового кристалла. Статические потери рассчитывают по формуле:

где U(0) – падение напряжения, Iср и Irms – средний и среднеквадратичный ток соответственно.

Динамические потери возникают при открывании и запирании транзистора. Они определяются по графику и зависят от частоты коммутаций, температуры, напряжения на коллекторе, тока в момент переключения.

Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь.

В области частот 10-20 кГц потери мощности на IGBT-транзисторах малы и не вызывают сильного нагрева, который приводит к тепловому пробою.

Модули IGBT

Для снижения количества внешних элементов выпускают модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты.

Модуль на базе IGBT

Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей.

Модуль на базе IGBT

Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для одного транзистора, можно подключать модули параллельно.

Параллельные модули на базе IGBT

В этом случае выбирают транзисторы IGBT с одинаковым пороговым напряжением во включенном состоянии. Разница в параметрах приводит к несимметричному току на транзисторах. При параллельном включении также учитывают увеличившуюся входную емкость, драйвер управления должен обеспечить заданную скорость коммутации.

Выбор модулей IGBT

Транзисторные модули выбирают по нескольким основным характеристикам:

  • Максимальный ток коллектора Iс. Производители обычно приводят 2 значения. Одно при стандартной температуре в помещениях +25°С, второе при +80°С. В руководствах приведен график зависимости тока коллектора от температуры. Для определения промежуточных значений можно воспользоваться им.
  • Напряжение «коллектор-эмиттер». Характеристика определяет класс полупроводникового элемента. При выборе необходимо воспользоваться таблицей класса напряжений IGBT-транзисторов для промышленных сетей.
  • Рабочее максимальное напряжение «коллектор-эмиттер». Для стабильной работы модуля пиковые величины не должны быть больше 80 % номинального значения. Нормальное рабочее напряжение не должно превышать 60% от номинала.
  • Заряд затвора и напряжение насыщения. Характеристики нужны для расчета драйвера и определения потерь при открытом транзисторе.

Для выбора полупроводниковых модулей IGBT для преобразователей рекомендует следующий алгоритм:

  • Определение номинального и максимального напряжения звена постоянного тока.
  • Выбор типа модуля по классификационному напряжению.
Классы напряжения IGBT для электросетей
Напряжение сети, В 220 380 660
Напряжение IGBT, В 600 1200 1700
  • Определение предельного тока на выходе преобразователя.
  • Выбор максимальной частоты переключений для предельного выходного тока.
  • Выбор модуля IGBT с номинальным током не меньше предельного значения на выходе преобразователя.
  • Расчет статических и динамических потерь в каждом элементе модуля при максимально допустимой температуре IGBT.
  • Расчет предельной температуры радиатора в зоне установки модуля.
  • Вычисление общих потерь на модуль.

Значение температуры выбирают с запасом. При превышении расчетного значения допустимой величины, необходим выбор модуля с большим номинальным током. При большом запасе выбирают IGBT с меньшим номинальным током и заново выполняют расчеты.

Управление модулями IGBT

Модули IGBT управляются драйверами. Микросхемы вырабатывают управляющие импульсы, обеспечивают коммутацию ключей в нужном частотном диапазоне, согласовывают работу полупроводниковых устройств с блоком управления.

При выборе драйверов для модулей, производители рекомендуют руководствоваться следующими рекомендациями:

Напряжение цепи «коллектор-эмиттер» для снижения динамических потерь и обеспечения стабильной работы транзистора при отпирании ключа должно составлять +15±10% В, при запирании -7…-15 В. Максимальная величина – не более ±20 В.

Длительность импульсов напряжения выхода драйвера должна быть меньше времени коммутации транзисторов в 5-10 раз.

Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь. Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей.

Напряжение запирания должно обеспечивать гарантированное отключение IGBT при любых условиях.

Для уменьшения помех необходимо подключать драйвер к модулю витой парой или устанавливать плату на контакты управления модулем.

Схема электропитания организовывается следующим образом: вначале напряжение подается на драйвер, затем на модуль.

Для предотвращения эффекта «защелкивания» паразитной p-n-p-n структуры, образуемой модулем и выходным каскадом микросхемы управления, исток биполярной ячейки, общий выход драйвера и отрицательную клемму сглаживающего фильтра присоединяют на общую шину.

Защита и охлаждение IGBT

Для ограничения перенапряжений при переключении транзисторов используют RC- и RCD-фильтры, включаемые в силовую цепь.

Для снижения больших перенапряжений при переключениях используют настройки драйвера: напряжение на выходе управляющего устройства должно снижаться меньше, чем в обычных условиях работы модуля и выключение электронных ключей в 2 этапа. На первом в цепь затвор-эмиттер включается резистор, затем, при достижении номинального значения тока коллектора, модуль резко отключается.

Для снижения выравнивающих токов в цепи эмиттера ставят резистор номиналом до 0,1 от эквивалентного сопротивления транзистора.

При большой разнице в задержке переключения, применяют индуктивности для равномерного распределения тока в транзисторах. Их параметры рассчитывают по формуле:

Где U – напряжение на шине, ∆I – отклонение от среднего значения тока, Dt – разность времени переключения.

Для борьбы с токами короткого замыкания в цепь «затвор – эмиттер» включают защиту.

Это предотвратит увеличение напряжения при резком скачке тока и выход полупроводникового устройства из режима насыщения.

При транспортировке, монтаже и эксплуатации IGBT должна учитываться чувствительность модулей к статическим зарядам. Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на 10-20 кОм. При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа. Работы по установке необходимо проводить в антистатических браслетах. Инструменты и измерительные приборы также необходимо заземлить.

При разработке преобразователей на базе IGBT модулей требуется предусмотреть эффективное охлаждение. Для теплового расчета применяется эквивалентная схема устройства:

Расчет осуществляется по формуле:

где РП – мощность потерь полупроводникового прибора, Rt h( р ) – тепловое сопротивление проводящего материала.

Монтаж модулей IGBT

Для эффективного охлаждения полупроводниковых модулей необходимо подготовить поверхность радиатора и обеспечить плотное прилегание подложки прибора к охладителю. Шероховатость поверхностей должна быть не более 10 мкм, отклонение от параллельности –меньше 20 мкм на расстоянии до 10 см.

Перед монтажом нужно убедиться, что на поверхностях нет твердых частиц, а также обезжирить подложку и радиатор любым неагрессивным к материалам компонентов растворителем.

Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений. Характеристики материала должны сохраняться при любой температуре эксплуатации на протяжении всего срока службы. Рекомендованный запас по температуре – 10%. Перед нанесением пасты контактные поверхности охладителя и подложки обезжиривают безворсовой тканью, смоченной в растворителе. Толщину слоя пасты регулируют специальным гребешком. При нанесении теплопроводящего материала избегают его попадания на радиатор и в гнезда для резьбовых соединений.

Крепление силовых моделей осуществляют в следующем порядке:

  • Фиксируют корпус двумя диагональными болтами.
  • Наносят теплопроводящий материал.
  • Затягивают болты по диагонали (рекомендованное усилие 0.5 Нм ± 15%).
  • Выдерживают полчаса для заполнения пустот теплопроводящей пастой.
  • Затягивают болты с усилием 3-5 Нм.

Для затяжки применяют электронные инструменты с небольшой частотой вращения и функцией контроля усилий. Применять пневматику нельзя, такой инструмент недостаточно точен и может создать избыточное усилие затяжки, которое приводит к напряжениям на корпусе прибора и трещинам полупроводникового кристалла.

При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки.

Заключение

Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором обладают:

  • Высоким входным сопротивлением.
  • Низким остаточным напряжением в открытом состоянии.
  • Малыми потерями при высоких токах и напряжениях.

Полупроводниковые устройства могут применяться при напряжении 10 кВ и коммутации токов до 1200 А. На базе IGBT производят частотные преобразователи для электроприводов, бестрансформаторные конверторы и инверторы, сварочное оборудование, регуляторы тока для мощных приводов.

Модуль IGBT

В области частот 10-20 кГц ключи на транзисторах GBT значительно превосходят устройства на полупроводниковых приборах других типов.

Источник