Силовые модули IGBT - что это такое, принцип работы, схема управления

Силовые модули IGBT состоят из IGBT-транзисторов, которые сочетают в себе преимущества биполярных и полевых транзисторов. 

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой полупроводниковый прибор с тремя соединительными клеммами, очень полезный благодаря своему высокому КПД, мощности и быстрому включению и отключению.

IGBT-транзисторы используются в устройствах средней и высокой мощности, импульсных источниках питания, управлении тяговыми двигателями и устройствах индукционного нагрева.

IGBT - это биполярный транзистор с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor). Если говорить совсем просто, это мощный электронный ключ, который умеет очень быстро включать и выключать большие токи и напряжения, расходуя при этом ничтожно мало энергии на собственное управление.

До появления IGBT инженеры оказались перед неприятным выбором. Биполярный транзистор хорошо держит большие мощности, но требует заметного тока управления - это потери и усложнение схемы.

Полевой MOSFET управляется напряжением и почти не потребляет тока управления, зато при высоких напряжениях (свыше 300-400 В) его характеристики заметно ухудшаются.

Запрос был простым: нужен прибор, который мог бы работать с напряжениями в сотни и тысячи вольт, токами в сотни ампер - и при этом управляться от лёгкого сигнала напряжения, как полевой транзистор.

Ответ оказался элегантным: внутри IGBT полевой транзистор управляет биполярным. Когда на затвор подаётся положительное напряжение около 10-15 В, в полевой части кристалла формируется проводящий n-канал. Через этот канал открывается биполярная часть прибора - и от коллектора к эмиттеру начинает течь мощный ток. По сути, затвор IGBT - это кнопка от полевого транзистора, а мощь - от биполярного.

Время включения IGBT составляет 0,2-0,4 мкс, время выключения - не более 1,5 мкс. При токах в сотни ампер падение напряжения на открытом транзисторе не превышает 1,5-3,5 В - это означает, что прибор сам почти не греется и почти не тратит энергию впустую. Закрывается IGBT тоже напряжением: достаточно убрать сигнал с затвора или подать отрицательное напряжение - и полевая часть перекрывает канал, лишая биполярную часть тока базы.

Снаружи у IGBT три вывода, которые получили названия от обоих «родителей»: затвор G (gate) - от полевого транзистора, коллектор C (collector) и эмиттер E (emitter) - от биполярного. На затвор подаётся управляющий сигнал, между коллектором и эмиттером течёт рабочий ток нагрузки. Никаких токовых усилителей в цепи управления не нужно - управляющая схема может быть простой и компактной.

Поскольку они предназначены для быстрого включения и выключения, IGBT используются в усилителях, которые имеют дело со сложными формами сигналов, широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и фильтрами нижних частот.

Эти силовые полупроводниковые устройства используются в низковольтных и высоковольтных преобразователях постоянного и переменного тока, станках с ЧПУ, промышленных роботах, оборудовании для производства полупроводников и медицинском оборудовании.

Это также могут быть сварочные аппараты, различные лабораторные инверторы, источники бесперебойного питания, стабилизаторы, электроприводы, конверторы, оборудование для ветряной и солнечной энергетики, любительская электротехника, вроде трансформаторов Тесла типа DRSSTC и т. д.

Импульсные источники питания с IGBT-транзисторами используются во многих инновационных устройствах, таких как электромобили, холодильники с регулируемой скоростью, кондиционеры, стереосистемы с цифровыми усилителями и т. д.

Для наиболее технологичного решения подобного рода задач и были придуманы силовые модули IGBT, в основе которых, как можно легко понять из названия, лежат IGBT-транзисторы.

С момента своего появления в 1988 году и по настоящее время IGBT-транзисторы развивались и завоевывали позиции по сравнению с другими технологиями, становясь наиболее широко используемым типом транзисторов в силовых модулях благодаря их превосходным характеристикам и возможностям управления.

В промышленных приложениях используются модули IGBT, которые включают в себя множество транзисторов, установленных параллельно, которые могут выдерживать токи в сотни ампер.

Осуществляя проектирование и монтаж силовых электронных блоков, в частности это касается преобразовательной техники, очень важно обеспечить полупроводниковым ключам не только качественную изоляцию и отсутствие паразитных наводок, но и надлежащий тепловой режим их работы. При этом всегда желательно сохранить компактность изделия, не нарушая надежности всей сборки.

Передовые технологии современного производства полупроводниковых кристаллов позволяют получать компоненты с небольшим падением напряжения, высокой допустимой температурой и малыми коммутационными потерями.

Такие модули способны работать при разных напряжениях и токах, в зависимости от конкретной модели того или иного IGBT-модуля.

Уже сейчас на рынке доступны силовые компоненты от известных мировых производителей на максимальное напряжение от 600 до 6500 вольт и на максимальный ток от 10 до 3600 ампер.

По типу сборки IGBT-модули подразделяются на: одиночные ключи, полумосты, чопперы, трехфазные мосты, а также многоуровневые сборки и узкоспециальные комбинации.

Выбор того или иного IGBT-модуля зависит от цели, для которой его планируется применять. 

В корпусе IGBT-модуля находятся кристаллы, образующие транзисторы и диоды. Транзисторов и диодов может быть несколько. Например, трехфазный мост с тормозным транзистором может содержать 7 IGBT-транзисторов и в общей сложности 10 диодов.

Между непосредственно кристаллом и металлической подложкой каждого элемента расположена изолирующая теплопроводящая подложка.

Металлическая подложка элемента, в свою очередь, припаяна к внешней медной пластине, которая может либо сама представлять собой готовый радиатор, либо предполагать соединение с внешним радиатором.

Как правило, конструкция модуля предполагает монтаж одной его стороной на внешний радиатор, тогда как на другую его сторону можно установить плату драйвера.

Различные по параметрам продукты от Infineon, Mitsubishi, IXYS и Semikron широко представлены сегодня на отечественном рынке. В модулях применяются кристаллы, изготовленные с использованием технологий последних поколений.

Существует большой выбор компактных корпусов с пружинным и винтовым креплением внешних проводников. Допускается параллельный монтаж и сопряжение нескольких модулей, поскольку их корпуса допускают компактную стыковку друг к другу.

IGBT-модули постоянно совершенствуются, ведь их производители осваивают все новые и новые технологии создания кристаллов, работают над оптимизацией и совершенствованием корпусов, наружных терминалов, подбирают лучшие материалы, работают над улучшением критически важных электрических характеристик по следующим направлениям:

• устойчивость к токам короткого замыкания,
• уменьшение емкости затвора,
• снижение напряжения насыщения,
• повышение рабочей частоты,
• уменьшение паразитных индуктивностей и емкостей,
• улучшение теплопроводности.

Смотрите также: 

Что такое силовая электроника

Параметры полевых транзисторов: что написано в даташите

Андрей Повный