Elektronika

Edukativni tekstovi iz sveta elektronike

Komponente

Opisi komponenata koje se koriste u elektronici

Novosti

Najnovije vesti iz elektronike i ostalih srodnih oblasti

Projekat

Projekti iz elektronike za samogradnju

Rečnik

Rečnik pojmova iz elektronike i računarstva

Početna » Komponente

IGBT

Autor | Četvrtak, 25. Oktobar 2007.Nema komentara

Pojavom IGBT komponete početkom osamdesetih godina sjedinjene su dobre osobine bipolarnih tranzistora i MOSFET-ova. Dobijene karakteristike omogućile su izradu novih upravljačkih kola sa mnogo većom frekvencijom rada što je naročito iskorišćeno u oblasti energetske elektronike posebno u kolima za elektronsko paljenje motora sa unutrašnjim sagorevanjem.

Osnovne karakteristike

Struktura IGBT komponenti zasnovana je na bipolarnom tranzistoru i MOSFET-u.Ne ulazeći u detalje realizacije same strukture, osvrnućemo se na njene najvažnije karakteristike i mesta primene. IGBT je snažna komponenta koja se pre svega koristi u energetskoj elektronici. Odlikuje ga naponsko upravljanje kao kod MOSFET-a, velika snaga koju može prenosi i relativno visoka frekvencija odnosno brzina rada gledajući to iz ugla snažnih elektronskih komponenti, tiristora, snažnih bipolarnih tranzistora i FET-ova. Radi se u suštini o hibridnoj komponenti nastaloj ”stapanjem” bipolarnog tranzistora i MOSFET-a. Simboli za IGBT prikazani su na slici 1. Struktura je prikazana na slici 2.

Slika 1. Simboli za IGBT

Slika 2. Unutrašnja struktura

Princip rada

Uključivanje IGBT vrši se tako što se spoj gejt-sors polariše pozitivno VGE > 0 pri čemu se indukuje n-kanal u p-sloju.Isključuje se sa naponom VGE = 0. Da se ne bi puno zamarali oko kompletnog mehanizma provođenja pošto on nije jednostavan usled postojanja mnogo slojeva. Jedna od ozbiljnih mana je pojava parazitnog tiristora koji je simbolički prikazan na strukturnoj šemi na slici 1. Tiristorski efekat javlja se pri veoma velikim strujama kroz drejn i tada se IGBT ne može normalno isključiti dovođenjem nule na gejt. U tom slučaju najčešće dolazi do pregorevanja IGBT-a. Ulazna otpornost mu je velika kao kod MOSFET-a dok su gubici u ustaljenom stanju mali kao kod bipolarnog tranzistora. Temperaturna zavisnost otpornosti Rds ponaša se kao kod bipolarnog tranzistora tj. mala je, što mu daje veliki temperaturni opseg na kojem može ispravno da radi. Ne može se koristiti za velike snage usled tiristorskog efekta i veće otpornosti Rds nego kod bip. tranzistora što izaziva pad napona u uključenom stanju od UF = 1,7-3 V u zavisnosti od snage IGBT komponente. Novije IGBT komponente imaju maks. frekvenciju rada do 50kHz. Ako se radi o snažnijim IGBT njihova frekvencija rada se smanjuje. Proizvode se u opsegu za napone od 300-1800V i struje od 10-1000A.

Primena

Tiristori stoga i dalje dominiraju primenama gde su potrebe za strujom više kA i kada treba izdržati inverzni napon od preko 5kV a brzina prekidanja pri tome može da bude mala (vidi Tiristori). Za veće fekvencije i dalje je efikasniji snažni MOSFET ( vidi MOSFET ) Upotreba IGBT komponenti najčešća je kod induktivno-otpornih potrošača koji obavezno imaju zamajnu diodu. Na slici 3 prikazana je strujno-naponska karakteristika gde se uočava da je kretanje radne tačke ograničeno samo disipacijom snage a ne i pojavom sekundarnog proboja. Na tržištu su dostupne dva tipa IGBT-a. Prvi je simetrični IGBT što znači da mu je maksimalni inverzni napon BVRM približno isti kao i BVDSS ali je takav tip IGBT puno sporiji. Postoji i asimetrični IGBT koji je mnogo brži ali je BVRM isti kao kod bipolarnog tranzistora, svega 4-6 V što zahteva veliku pažnju prilikom projektovanja kola.

Slika 3. Izlazna karakteristika IGBT na temperaturi 250

Proizvođači isporučuju IGBT komponente u raznim kućištima sa ugrađenim zaštitama od prenapona kao posledica elektrostatičkog naelektrisanja.

Dinamički odziv

Vreme uključivanja sastoji se od vremena kašnjenja uključenja tj. od vremena koje protekne od uključivanja VGS pa do trenutka kada struja kolektora (drejna) poraste na 10% svoje maksimalne vrednosti. Označava se sa td(ON). Na to vreme dodaje se vreme porasta struje kolektrora do 90% od maksimalne vrednosti – tr. Dodajemo jos vreme inverznog oporavka zamajne diode trr i vreme pada napona kolektor-emiter (drejn-sors) -tfu. Ukupno vreme izraženo je u sledećoj formuli

f1

Na dijagramu za uključivanje zanemareno je vreme oporavka zamajne diode koje u praksi može biti veoma kratko izborom brzih dioda koje su danas lako dostupne na tržištu (vidi diode).

Vreme isključivanja uračunava vreme od trenutka kada napon VGS počne da pada od 90% svoje vrednosti do trenutka kada napon kolektor-emiter padne na 10% od maksimalne vrednosti – td(OFF). Dodaje se vreme porasta napona kolektor-emiter- tv. Zatim je potrebno da se struja kolektora smanji na 10% svoje maksimalne vrednosti- tfi1 + tfi2.

Ukupno vreme isključenja izraženo je u sledećoj formuli

f2

Svi parametri vezani za dinamički odziv najčešće se mogu naći u dokumentaciji proizvođača za određeni IGBT, mada ih treba dobro razmotriti jer se često nalaze greške.

Drajveri za IGBT

Često se koriste pomoćna kola za uključivanje / isključivaanje IGBT-a. Neki od jednostavnijih a efikasnih drajvera prikazani su na sledećim slikama. Oni su potrebi da bi obezbedili potrebni naponski nivoi za što brže uključivanje a nisu zanemarljivi ni strujni zahtevi zbog punjenja parazitnih kapacitivnosti pri uključivanju i isključivanju.

Slika 4. Puš-pul drajver za upravljanje IGBT-om

Na slici 4 prikazan je drajver koji se koristi u većini aplikacija sa IGBT komponentama. Za uključenje je dovoljno dovesti napon na gejt od oko 15-18V što je obezbeđeno primenom cener dioda. Isključenje zahteva jaku negativnu polarizaciju kako bi izvlačenje nagomilanih nosilaca bilo što brže. potrebno je pažljivo odabrati RG jer premala vrednost dovodi do oscilovanja napona Vce prilikom uključivanja dok velika vrednost značajno usporava prekidački rad IGBT-a. Kada je potrebno izolovati upravljačko kolo od samih IGBT-a koristimo trafo ili optokaplere za galvansko odvajanje. Slika 5 prikazuje električnu šemu ovakvog drajvera.

Slika 5. Drajver za IGBT sa galvanskom izolacijom

Leave your response!

You must be logged in to post a comment.