IGBTs הם המרכיבים העיקריים של אלקטרוניקה כוח מודרנית

טרנזיסטור IGBT (קיצור לטרנזיסטור דו-קוטבי מבודד-שער אנגלי) או טרנזיסטור דו-קוטבי שער מבודד (קיצור IGBT) הוא התקן מוליכים למחצה מוליך למחצה המשלב טרנזיסטור דו-קוטבי כוח וטרנזיסטור אפקט-שדה השולט בו בתוך דיור אחד.

טרנזיסטורים של IGBT הם כיום המרכיבים העיקריים של אלקטרוניקה כוח (ממירים עוצמתיים, ספקי כוח מיתוג, ממירי תדרים וכו '), שם הם משמשים כמתגים אלקטרוניים חזקים המעבירים זרמים בתדרים שנמדדים בעשרות ומאות קילוהרץ. טרנזיסטורים מסוג זה מיוצרים הן בצורת רכיבים נפרדים, והן בצורה של מודולי כוח מיוחדים (מכלולים) לבקרת מעגלים תלת פאזיים.

העובדה שהטרנזיסטור של IGBT כולל טרנזיסטורים משני סוגים בו זמנית (מפלסים) מאפשרת לך לשלב את היתרונות של שתי טכנולוגיות במכשיר מוליך למחצה אחד.

טרנזיסטור דו קוטבי כטרנזיסטור כוח מאפשר לקבל מתח הפעלה גדול יותר, בעוד שהתנגדות התעלה במצב הפתוח היא פרופורציונלית לזרם בתואר הראשון ולא לריבוע הזרם כ טרנזיסטורים לאפקט שדה קונבנציונאלי. והעובדה שמדובר בטרנזיסטור אפקט שדה שמשמש כטרנזיסטור שליטה ממזער את צריכת החשמל לשליטה במפתח.

 

שמות האלקטרודות מאפיינות את מבנה הטרנזיסטור IGBT: אלקטרודת הבקרה נקראת השער (כמו טרנזיסטור אפקט שדה), והאלקטרודות של תעלת הכוח נקראות האספן והפולט (כמו טרנזיסטור דו קוטבי).

קצת היסטוריה

מבחינה היסטורית, טרנזיסטורים דו קוטביים שימשו על בסיס שווה. עם טיריסטורים כמפתחות אלקטרוניים חשמליים עד שנות ה -90. אך החסרונות של טרנזיסטורים דו קוטביים היו תמיד ברורים: זרם בסיס גדול, כיבוי איטי וחימום יתר של הקריסטל, תלות טמפרטורה חזקה של הפרמטרים העיקריים ומתח רוויה אספן-פולט מוגבל.

טרנזיסטורי אפקט השדה (מבני MOS) שהופיעו מאוחר יותר שינו מייד את המצב לטובה: בקרת מתח כבר לא דורשת זרמים גדולים כל כך, הפרמטרים של המתג תלויים חלש בטמפרטורה, מתח הפעולה של הטרנזיסטור אינו מוגבל מלמטה, ההתנגדות הנמוכה של תעלת הכוח במצב הפתוח מרחיבה את טווח זרמי ההפעלה, תדר המיתוג יכול להגיע בקלות למאות קילוהרץ, בנוסף, יכולתם של טרנזיסטורי אפקט שדה לעמוד בעומסים דינמיים חזקים במתחי פעולה גבוהים אינה ראויה לציון.

מכיוון שהשליטה בטרנזיסטור אפקט שדה מיושמת הרבה יותר קלה ומתברר במונחים של כוח בהרבה יותר קל מאשר דו דו קוטבי, וחוץ מזה יש מגביל דיודה, - טרנזיסטורים מאפקט שדה זכו מייד לפופולריות בממירי מתח מיתוג בתדר גבוה, כמו גם במגברי אקוסטיים מסוג Class D.

ולדימיר דיקונוב

הטרנזיסטור האפקט הראשון של שדה הכוח פותח על ידי ויקטור בחורין בברית המועצות, בשנת 1973, לאחר מכן נחקר תחת פיקוחו של המדען ולדימיר דיקונוב. חקירות של קבוצת דיקונוב בנוגע לתכונות המפתח של טרנזיסטור אפקט שדה כוח הובילו להתפתחות בשנת 1977 של מתג טרנזיסטור מורכב, שבתוכו נשלט טרנזיסטור דו קוטבי על ידי מתג אפקט שדה עם שער מבודד.

מדענים הראו את היעילות של גישה זו, כאשר התכונות הנוכחיות של חלק הכוח נקבעות על ידי טרנזיסטור דו קוטבי, ופרמטרי הבקרה נקבעים על ידי השדה. יתר על כן, הרוויה של הטרנזיסטור הדו קוטבי מבוטלת, מה שאומר שהעיכוב בעת כיבויו מופחת. זהו יתרון חשוב של כל מפתח חשמל.

על מכשיר מוליכים למחצה מסוג חדש, מדענים סובייטים השיגו תעודת זכויות יוצרים מס '757051 "Pobistor". זה היה המבנה הראשון שהכיל טרנזיסטור דו-קוטבי חזק בתוך דיור אחד, ומעליו טרנזיסטור אפקט שדה שליטה עם שער מבודד.

באשר ליישום תעשייתי, כבר בשנת 1983 רשם מייבש Intarnational פטנט על הטרנזיסטור IGBT הראשון. ושנתיים לאחר מכן פותח טרנזיסטור IGBT עם מבנה שטוח ומתח הפעלה גבוה יותר. הדבר נעשה במקביל במעבדות של שתי חברות - ג'נרל אלקטריק ו- RCA.

הגרסאות הראשונות של טרנזיסטורים דו-קוטביים בשער מבודד היו חסרון אחד מרכזי - מיתוג איטי. השם IGBT אומץ בשנות ה -90, אז נוצר הדור השני והשלישי לטרנזיסטורים של IGBT. ואז חסרונות אלה נעלמו.

היתרונות המובהקים של IGBTs

בהשוואה לטרנזיסטורים של אפקט שדה קונבנציונאלי, ל- IGBT יש עכבה קלט גבוהה יותר והספק נמוך יותר שמבלה על בקרת שערים.

שלא כמו טרנזיסטורים דו קוטביים, יש מתח שיורי נמוך יותר כאשר הוא פועל. ההפסדים במצב הפתוח, אפילו במתחי פעולה וזרמים גבוהים, הם קטנים למדי. במקרה זה המוליכות דומה לזו של טרנזיסטור דו קוטבי והמפתח נשלט על ידי מתח.

טווח פולט קולטי מתח ההפעלה עבור הדגמים הזמינים ביותר משתנה מעשרות וולט ל 1200 וולט ויותר, בעוד שזרמים יכולים להגיע עד 1000 אמפר ומעלה. יש מכלולים למאות ואלפי וולט במתח וזרמים של מאות אמפר.

ההערכה היא כי טרנזיסטורי אפקט שדה מתאימים יותר להפעלת מתח עד 500 וולט, וטרנזיסטורים של IGBT מתאימים למתחים העולים על 500 וולט וזרמים העולים על 10 אמפר, מכיוון שהתנגדות תעלות נמוכה במצב פתוח חשובה ביותר במתחים נמוכים יותר.

טרנזיסטורים של IGBT

היישום העיקרי של טרנזיסטורים IGBT נמצא בממירים, ממירי מתח וממיר תדרים (לדוגמה, מודול חצי הגשר SKM 300GB063D, 400A, 600V) - שם יש מתח גבוה וספק משמעותי.

ממירי ריתוך - תחום יישום חשוב ונפרד של טרנזיסטורים של IGBT: זרם גבוה, הספק יותר מ -5 קילוואט ותדרים עד 50 קילו הרץ (IRG4PC50UD - קלאסיקה מהז'אנר, 27A, 600V, עד 40 kHz).

אי אפשר להסתדר בלי IGBT בהובלה חשמלית עירונית: עם תיריסטורים, מנועי גרירה מראים יעילות נמוכה יותר מאשר עם IGBT, יתר על כן, IGBT משיג נסיעה חלקה יותר ושילוב טוב עם מערכות בלימה מחודשת גם במהירויות גבוהות.

אין דבר טוב יותר מ- IGBT כשאתה צריך לעבור במתח גבוה (יותר מ- 1000 וולט) או לשלוט בכונן בתדר משתנה (תדרים של עד 20 קילו הרץ).

במעגלים מסוימים טרנזיסטורים של IGBT ו- MOSFET הניתנים להחלפה לחלוטין, מכיוון שהאמצע שלהם דומה, ועקרונות הבקרה זהים. השערים בזה ובמקרה האחר מייצגים יכולת של עד יחידות ננופארד, עם טעינה המחזיקה טעינה עליה יכול הנהג המותקן בכל מעגל כזה להתמודד בקלות ומספק שליטה מספקת.

ראה גם:טרנזיסטורים MOSFET ו- IGBT, ההבדלים והתכונות של היישום שלהם