IGBT je krátka forma bipolárneho tranzistora s izolovanou bránou, kombinácia bipolárneho spojovacieho tranzistora (BJT) a tranzistora s efektom poľa oxidu kovu (MOS-FET). Je to polovodičové zariadenie používané na prepínanie súvisiacich aplikácií.
Pretože IGBT je kombináciou MOSFET a tranzistora, má výhody tranzistorov aj MOSFET. MOSFET má výhody vysokej spínacej rýchlosti s vysokou impedanciou a na druhej strane BJT má výhodu vysokého zisku a nízkeho saturačného napätia, obe sú prítomné v IGBT tranzistore. IGBT je napäťovo riadený polovodič, ktorý umožňuje veľké emitorové prúdy kolektora s takmer nulovým hradlovým prúdovým pohonom.
Ako už bolo spomenuté, IGBT má výhody MOSFET aj BJT, IGBT má izolovanú bránu rovnako ako typické MOSFETy a rovnaké charakteristiky prenosu výstupu. Aj keď je BJT prúdovo riadené zariadenie, ale pre IGBT závisí riadenie na MOSFET, teda ide o napäťovo riadené zariadenie, ekvivalentné so štandardnými MOSFETmi.
Ekvivalentný obvod a symbol IGBT
Na obrázku vyššie je zobrazený ekvivalentný obvod IGBT. Je to rovnaká štruktúra obvodu ako v Darlingtonovom tranzistore, kde sú dva tranzistory pripojené úplne rovnakým spôsobom. Ako vidíme na obrázku vyššie, IGBT kombinuje dve zariadenia, N kanál MOSFET a PNP tranzistor. N kanál MOSFET riadi PNP tranzistor. Štandardný výstup BJT obsahuje zberač, vysielač, základňu a štandardný výstup MOSFET obsahuje bránu, odtok a zdroj. Ale v prípade IGBT tranzistorových pinov je to Gate, ktorá vychádza z N-kanálového MOSFETu a Collector a Emitter z PNP tranzistora.
V PNP tranzistore je kolektor a vysielač vodivou cestou a keď je zapnutý IGBT, je vedený a vedie cez neho prúd. Táto cesta je riadená M kanálom N kanálu MOSFET.
V prípade BJT vypočítame zisk, ktorý je označený ako Beta (
Na obrázku vyššie je zobrazený symbol IGBT. Ako vidíme, symbol obsahuje tranzistorovú časť vysielača kolektora a časť brány MOSFET. Tri terminály sú zobrazené ako brána, kolektor a vysielač.
V režime vedenia alebo v zapnutom režime „ ON “ preteká prúd z kolektora do emitora. To isté sa deje s tranzistorom BJT. Ale v prípade IGBT existuje Gate namiesto base. Rozdiel medzi napätím brány a vysielača sa nazýva Vge a rozdiel napätia medzi kolektorom a emitorom sa nazýva Vce.
Emitora prúd (Ie), je takmer rovnaká ako kolektorový prúd (Ic), IE = Ic. Pretože prúd je relatívne rovnaký v kolektore aj v emitori, Vce je veľmi nízka.
Viac informácií o BJT a MOSFET sa dozviete tu.
Aplikácie IGBT:
IGBT sa používa hlavne v aplikáciách súvisiacich s napájaním. Štandardné výkonové BJT majú veľmi pomalé vlastnosti odozvy, zatiaľ čo MOSFET je vhodný pre aplikácie s rýchlym prepínaním, ale MOSFET je nákladná voľba tam, kde sa vyžaduje vyšší prúdový výkon. IGBT je vhodný na nahradenie výkonových BJT a výkonových MOSFETov.
Tiež IGBT ponúka nižšiu odolnosti, On ' v porovnaní s BJTs a vďaka tejto vlastnosti IGBT je tepelná účinnosť v príslušnej aplikácie vysokého výkonu.
Aplikácie IGBT sú rozsiahle v oblasti elektroniky. Kvôli nízkemu odporu, veľmi vysokému prúdovému zaťaženiu, vysokej spínacej rýchlosti, pohonu nulovou bránou sa IGBT používajú v oblasti riadenia motorov s vysokým výkonom, invertorov, spínaného zdroja s vysokofrekvenčnými oblasťami.
Na vyššie uvedenom obrázku je základná prepínacia aplikácia zobrazená pomocou IGBT. RL, je odporová záťaž pripojená cez IGBT emitor na zem. Rozdiel napätia v celej záťaži sa označuje ako VRL. Zaťaženie môže byť tiež indukčné. A na pravej strane je zobrazený iný obvod. Zaťaženie je pripojené cez kolektor, kde je ako prúdová ochrana zapojený odpor cez vysielač. V obidvoch prípadoch bude prúd tiecť z kolektora do emitora.
V prípade BJT musíme dodávať konštantný prúd cez základňu BJT. Ale v prípade IGBT, rovnako ako MOSFET, musíme zabezpečiť konštantné napätie cez bránu a saturácia sa udržiava v konštantnom stave.
V ľavom prípade rozdiel napätia, VIN, čo je potenciálny rozdiel vstupu (brány) so zemou / VSS, riadi výstupný prúd prúdiaci z kolektora do emitora. Rozdiel napätia medzi VCC a GND je takmer rovnaký pri celej záťaži.
Na obvode na pravej strane závisí prúd pretekajúci záťažou od napätia vydeleného hodnotou RS.
I RL2 = V IN / R S
IGBT (IGBT) možno prepínať, ON 'a, OFF ' aktiváciou brány. Ak urobíme bránu pozitívnejšou aplikáciou napätia cez bránu, vysielač IGBT udržiava IGBT v stave „ ON “ a ak urobíme bránu záporným alebo nulovým tlakom, IGBT zostane v stave „ OFF “. Je to rovnaké ako prepínanie BJT a MOSFET.
Krivka IGBT IV a charakteristiky prenosu
Na vyššie uvedenom obrázku sú charakteristiky IV znázornené v závislosti od rozdielneho napätia hradla alebo od Vge. Os X označuje napätie kolektora alebo Vce a os Y označuje prúd kolektora. Počas stavu vypnutia je prúd pretekajúci kolektorom a hradlové napätie nulový. Keď zmeníme Vge alebo hradlové napätie, zariadenie prejde do aktívnej oblasti. Stabilné a nepretržité napätie cez bránu poskytuje nepretržitý a stabilný tok prúdu cez kolektor. Zvýšenie Vge úmerne zvyšuje prúd kolektora, Vge3> Vge2> Vge3. BV je rozkladné napätie IGBT.
Táto krivka je takmer totožná s prenosovou krivkou IV od BJT, tu je však znázornená Vge, pretože IGBT je zariadenie riadené napätím.
Na obrázku vyššie je zobrazená prenosová charakteristika IGBT. Je takmer totožný s PMOSFET. IGBT sa prepne do stavu „ ON “ po tom, čo je Vge vyššia ako prahová hodnota v závislosti od špecifikácie IGBT.
Tu je porovnávacia tabuľka, ktorá nám poskytne verný obraz o rozdieloch medzi IGBT a POWER BJT a výkonovými MOSFETmi.
|
Charakteristiky zariadenia |
IGBT |
Napájací MOSFET |
POWER BJT |
|
Menovité napätie |
|||
|
Súčasné hodnotenie |
|||
|
Vstupné zariadenie |
|||
|
Vstupná impedancia |
|||
|
Výstupná impedancia |
|||
|
Rýchlosť prepínania |
|||
|
Náklady |
V ďalšom videu uvidíme spínací obvod tranzistora IGBT.