Geïsoleerde poort-bipolaire transistors (IGBT's) zijn halfgeleiderapparaten die veel worden gebruikt in moderne krachtelektronica.Het combineren van de hoge ingangsimpedantie en snelle schakeling van een MOSFET met de lage geleidingsverliezen van een bipolaire transistor, IGBT's zijn een go-to keuze geworden voor toepassingen die efficiënte hogespanning, hoogstroomschakeling vereisen.

Basisstructuur en werkingsbeginsel

Een IGBT combineert drie hoofdgebieden:

1. Doorgang (G):Beheert de kanaalvorming zoals in een MOSFET.

2. Verzamelaar (C) en afzender (E):Draag de hoge stroom zoals in een bipolaire transistor.

Wanneer er een positieve spanning op de poort wordt aangebracht, accumuleren elektronen zich onder de poortoxide om een geleidend kanaal te creëren.die vervolgens gaten uit het p-type-collectorgebied injecteren, wat resulteert in een laag weerstandsstroompadHet verwijderen van de poortspanning maakt het kanaal leeg en blokkeert de stroomstroom.

Belangrijkste kenmerken en voordelen

• Hoogspanningscapaciteit:IGBT's kunnen gemakkelijk spanningen van een paar honderd volt tot enkele kilovolts verwerken, waardoor ze geschikt zijn voor industriële aandrijvingen en omvormers voor hernieuwbare energie.

• Laag geleidingsverlies:Eenmaal ingeschakeld vertoont het apparaat een zeer lage spanningsdaling, wat resulteert in een hoge efficiëntie bij zware belastingen.

• Snel schakelen:Hoewel ze niet zo snel zijn als zuivere MOSFET's bij lage spanningen, schakelen moderne IGBT's snel genoeg (tientallen tot honderden nanoseconden) voor veel PWM-toepassingen.

• Robuustheid:Sterk tegen overspanning en kortsluiting vanwege hun bipolaire aard en het vermogen om hoge stroomspanningen voor korte duur te weerstaan.

Beperkingen

• Staartstroom:Bij het uitschakelen vertraagt een staart van ladingdragers het verval van de stroom, waardoor de schakelverliezen lichtjes toenemen en de maximale schakelfrequentie wordt beperkt (vaak <50 kHz voor modules met een hoog vermogen).

• Thermisch beheer:Bij een hoge vermogendichtheid is een effectieve warmteafzetting en een zorgvuldige verpakking vereist om de verbindingstemperaturen onder de veiligheidsgrens te houden (meestal < 150 °C).

• Voorschriften voor de poort aandrijving:IGBT's hebben een nauwkeurige regeling van de poortspanning nodig (ongeveer +15 V voor volledige aanschakeling en ¥5 V tot ¥15 V om uitschakeling te garanderen), en stuurcircuits moeten niveauverschuivingen bij hoge spanningen verwerken.

Verpakking en kwalificaties

IGBT's zijn verkrijgbaar in discrete pakketten (TO-247, TO-264 enz.) en in multi-chip modules (IGBT-modules) voor hogere vermogen.

• Blockspanning (V)_CES):Maximale spanning die het apparaat kan blokkeren wanneer het is uitgeschakeld.

• Kollektorstroom (I)_C):Maximale continue stroom.

• Schakeltijden (t)_op, t_weg):Vertragingen bij aan/uitzetten.

• Totaal vermogenverlies (P)_Verlies):Som van geleidingsverliezen en schakelverliezen, belangrijk voor thermisch ontwerp.

Het kiezen van de juiste IGBT

Bij de keuze van een IGBT moet u rekening houden met:

• Spanningsklasse:Match V._CEStot uw maximale gelijkstroombus plus marge (bijv. 1200 V apparaat voor een 700 V bus).

• Huidige rating:Kies een apparaat waarvan de continu- en piekstromen uw belastingbehoeften overschrijden, rekening houdend met de temperatuur.

• Schakelfrequentie:Lagere frequenties (<10 kHz) geven de voorkeur aan grotere IGBT's met een laag verlies.

• Thermische weerstand:Module-niveau R_De(verbinding naar geval) en verpakkingsontwerp van invloed zijn op de vereisten voor warmteafzetting.

• Poortbelasting:IGBT's met een lagere poortlading vereisen minder aandrijflijn, wat het ontwerp van de stuurprogramma vereenvoudigt.

Termische en beschermende overwegingen

• Verwarming:Gebruik de juiste thermische interfacemateriaal en de juiste grootte van de afzuigers om de temperatuur van de verbinding binnen veilige grenzen te houden.

• Snubber Circuits:RC- of RCD-snubbers beperken spanningspieken tijdens het uitschakelen en beschermen de integriteit van het apparaat.

• Bescherming tegen overstroming:Snel afsluiten met een poort of externe veiligheden beschermen tegen kortsluitingen.

• Zacht uitschakelen:Graduele stroomreductietechnieken kunnen thermische spanning voorkomen bij overbelasting.

Toekomstige trends

Terwijl silicium IGBT's nog steeds dominant zijn, komen brede bandgapmaterialen zoals siliciumcarbide (SiC) MOSFET's en galliumnitride (GaN) transistors op.en bij hogere temperaturenNiettemin zullen geoptimaliseerde IGBT-modules in de nabije toekomst voor hoogspannings- en hoogstroomscenario's kosteneffectief blijven.

IGBT's spelen een cruciale rol in stroomomvormingssystemen, waarbij een evenwicht wordt gevonden tussen hoge spannings robuustheid en efficiënte high-current schakeling.en toepassingsvereisten, kunnen ingenieurs IGBT-oplossingen selecteren en implementeren die de systeemprestaties, betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit maximaliseren.