IGBT je kratka oblika bipolarnega tranzistorja z izoliranimi vrati, kombinacija bipolarnega križnega tranzistorja (BJT) in tranzistorja z efektom kovinskega oksida (MOS-FET). To je polprevodniška naprava, ki se uporablja za preklapljanje povezanih aplikacij.
Ker je IGBT kombinacija MOSFET-a in tranzistorja, ima prednosti obeh tranzistorjev in MOSFET-a. MOSFET ima prednosti visoke preklopne hitrosti z visoko impedanco, na drugi strani pa ima BJT prednost velikega ojačanja in nizke nasičene napetosti, oba sta prisotna v IGBT tranzistorju. IGBT je napetostno nadzorovan polprevodnik, ki omogoča velike kolektorske emiterske tokove s skoraj ničelnim tokovnim pogonom.
Kot smo že omenili, ima IGBT prednosti tako MOSFET kot BJT-jev, IGBT ima izolirana vrata enako kot običajni MOSFET-ji in enake značilnosti prenosa izhoda. Čeprav je BJT trenutno nadzorovana naprava, za IGBT pa je nadzor odvisen od MOSFET-a, torej je napetostno nadzorovana naprava, enakovredna standardnim MOSFET-om.
IGBT ekvivalentno vezje in simbol
Na zgornji sliki je prikazano enakovredno vezje IGBT. Gre za isto strukturo vezja, ki se uporablja v tranzistorju Darlington, kjer sta dva tranzistorja povezana popolnoma enako. Kot lahko vidimo zgornjo sliko, IGBT združuje dve napravi, N-kanalni MOSFET in tranzistor PNP. N-kanalni MOSFET poganja PNP tranzistor. Standardni izhod BJT vključuje kolektor, oddajnik, podstavek, standardni izhod MOSFET pa vključuje vrata, odtok in vir. Toda v primeru IGBT tranzistorskih zatičev gre za vrata, ki prihajajo iz N-kanalnega MOSFET-a, kolektor in oddajnik pa iz PNP-tranzistorja.
V PNP tranzistorju, kolektorju in oddajniku je prevodna pot in ko je IGBT vklopljen, se vodi in skozi njega prenaša tok. To pot nadzoruje N-kanalni MOSFET.
V primeru BJT izračunamo dobiček, ki je označen kot Beta (
Na zgornji sliki je prikazan simbol IGBT. Kot lahko vidimo, simbol vključuje del oddajnika kolektorja tranzistorja in del vrat MOSFET-a. Trije terminali so prikazani kot vrata, kolektor in oddajnik.
Ko je v prevodnem ali vklopljenem načinu ON, tok teče od kolektorja do oddajnika. Enako se zgodi pri tranzistorju BJT. Toda v primeru IGBT obstaja Gate namesto baze. Razlika med napetostjo odhoda do oddajnika se imenuje Vge, napetostna razlika med kolektorjem in oddajnikom pa Vce.
Emisija tok (Tj) je skoraj enako kot zbiralec tok (Ic), Ie = Ic. Ker je pretok toka v kolektorju in oddajniku razmeroma enak, je Vce zelo nizek.
Preberite več o BJT in MOSFET tukaj.
Aplikacije IGBT:
IGBT se uporablja predvsem v aplikacijah, povezanih z napajanjem. Standardni močni BJT imajo zelo počasne odzivne lastnosti, medtem ko je MOSFET primeren za hitro preklapljanje, vendar je MOSFET draga izbira, kadar je potrebna višja trenutna moč. IGBT je primeren za zamenjavo močnostnih BJT-jev in napajalnih MOSFET-jev.
Poleg tega IGBT nudi nižjo odpornost "ON" v primerjavi z BJT-ji in zaradi te lastnosti je IGBT toplotno učinkovit pri aplikacijah z visoko močjo.
IGBT aplikacij je veliko na področju elektronike. Zaradi nizke odpornosti, zelo visoke tokovne moči, visoke preklopne hitrosti, pogona z ničelnimi vrati, se IGBT uporabljajo pri nadzoru motorjev z visoko močjo, pretvornikih, napajalnem napajanju z visokofrekvenčnimi pretvorbenimi območji.
Na zgornji sliki je prikazana osnovna preklopna aplikacija z uporabo IGBT. RL, je tudi upor povezan preko oddajnika IGBT je na tla. Napetostna razlika na obremenitvi je označena z VRL. Obremenitev je lahko tudi induktivna. Na desni strani je prikazan drugačen krog. Tovor je povezan preko kolektorja, kjer je kot tokovna zaščita preko emitorja priključen upor. Tok bo v obeh primerih prehajal od kolektorja do oddajnika.
V primeru BJT-ja moramo dovajati konstanten tok preko osnove BJT-ja. Toda v primeru IGBT, tako kot pri MOSFET-u, moramo zagotavljati konstantno napetost na vratih in nasičenost se ohranja v stalnem stanju.
V levem primeru napetostna razlika, VIN, ki je potencialna razlika vhoda (vrat) z ozemljitvijo / VSS, nadzoruje izhodni tok, ki teče od kolektorja do oddajnika. Napetostna razlika med VCC in GND je pri obremenitvi skoraj enaka.
Na desni strani vezja je tok, ki teče skozi obremenitev, odvisen od napetosti, deljene z vrednostjo RS.
I RL2 = V IN / R S
Izoliranimi vrati bipolarni tranzistor (IGBT) se lahko vključi " ON " in " OFF " z aktiviranjem vrata. Če vrata naredimo bolj pozitivna z napetostjo na vratih, oddajnik IGBT ohrani IGBT v stanju " VKLOP " in če vrata naredimo negativno ali nič potisnemo, ostane IGBT v položaju " OFF ". To je enako kot preklapljanje BJT in MOSFET.
Značilnosti krivulje in prenosa IGBT IV
Na zgornji sliki so prikazane značilnosti IV glede na različno napetost vrat ali Vge. Os X stoji za kolektor emitor napetosti ali VCE in Y osi pomeni kolektorskega toka. Med izklopljenim tokom tok skozi kolektor in napetost vrat ni enak. Ko spremenimo Vge ali napetost na vratih, naprava preide v aktivno območje. Stabilna in neprekinjena napetost na vratih zagotavlja neprekinjen in stabilen tok toka skozi kolektor. Povečanje Vge sorazmerno povečuje kolektorski tok, Vge3> Vge2> Vge3. BV je napetost razgradnje IGBT.
Ta krivulja je skoraj enaka krivulji prenosa IV BJT, vendar je tukaj prikazan Vge, ker je IGBT napetostno krmiljena naprava.
Na zgornji sliki je prikazana značilnost prenosa IGBT. Skoraj enak je PMOSFET-u. IGBT preide v stanje " ON ", ko je Vge večja od mejne vrednosti, odvisno od specifikacije IGBT.
Tu je primerjalna tabela, ki nam bo dala pošteno sliko o razliki med IGBT s POWER BJT in Power MOSFET-i.
Značilnosti naprave |
IGBT |
Močnostni MOSFET |
POWER BJT |
Napetostna ocena |
|||
Trenutna ocena |
|||
Vhodna naprava |
|||
Vhodna impedanca |
|||
Izhodna impedanca |
|||
Preklopna hitrost |
|||
Stroški |
V naslednjem videu bomo videli preklopno vezje IGBT tranzistorja.