Транзисторы igbt: IGBT транзистор. Принцип работы и применение.

IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение

В настоящее время в электронике имеют большую популярность IGBT транзисторы. Если расшифровать эту аббревиатуру с английского языка, то это биполярный транзистор с изолированным затвором. Он применяется в виде электронного мощного ключа для систем управления приводами механизмов, в источниках питания.

IGBT транзисторы

Этот силовой транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.

Наибольшей популярностью пользуются IGBT в силовых цепях преобразователей частоты и электродвигателей переменного тока мощностью до 1 мегаватта. По вольтамперным свойствам эти транзисторы аналогичны биполярным моделям полупроводников, но качество и чистота коммутации у них намного больше.

Современные технологии изготовления дают возможность оптимизировать транзисторы по функциональным характеристикам. Уже разработаны полупроводники, способные работать при большем напряжении и величине тока.

• Управляющее напряжение – это разность потенциалов, способная управлять работой затвора.
• Наибольший допустимый ток.
• Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.
• Ток отсечки эмиттер-коллектор.
• Напряжение насыщения эмиттер-коллектор.
• Входная емкость.
• Выходная емкость.
• Паразитная индуктивность.
• Период задержки подключения.
• Период задержки выключения.
• Внутреннее сопротивление.

В регуляторах скорости применяются IGBT транзисторы с рабочей частотой в несколько десятков кГц.

Достоинства

• Простая параллельная схема.
• Отсутствие потерь.
• Повышенная плотность тока.
• Устойчивость к замыканиям.
• Малые потери в открытом виде.
• Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).
• Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).

При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:

• Правильный подбор тока защиты.
• Выбор сопротивления затвора.
• Использование обходных путей коммутации.

Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:

• При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.
• Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.

IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению. Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:

• С помощью привязки к определенному значению напряжения. Это достигается тогда, когда драйвер затвора имеет постоянное напряжение. Главным способом является добавление в схему диода, имеющего малое падение напряжения (диод Шоттки). Значительный эффект получается путем уменьшения индуктивности цепи затвора и питания.
• Ограничение значения напряжения затвора путем использования стабилитрона в схеме затвора и эмиттера. Неплохая эффективность получается за счет установки диодов к дополнительным клеммам модуля. Диоды применяются с малым разбросом и температурной зависимостью.
• Подключение в цепь отрицательной обратной связи эмиттера. Такой способ доступен, когда подключен эмиттер драйвера затвора к клеммам эмиттера модуля.

IGBT транзисторы чаще всего работают в сетях высокого напряжения до 6,5 киловольт для надежной и безопасной работы электроустановок в аварийном режиме при коротких замыканиях.

Вышеперечисленные свойства транзисторов дают возможность использовать их в частотно-регулируемых приводах, инверторах, импульсных регуляторах тока, а также в сварочных аппаратах.

Также IGBT применяются в системах мощных приводов управления электровозов, троллейбусов. Это повышает КПД и создает повышенную плавность хода.

Силовые транзисторы широко используются в цепях высокого напряжения. Они входят в состав схем посудомоечных машин, бытовых кондиционеров, автомобильного зажигания, блоков питания телекоммуникационного оборудования.

IGBT транзисторы проверяются в случаях ревизии при неисправностях электрического устройства. Проверку проводят с помощью мультитестера путем прозвонки электродов эмиттера и коллектора в двух направлениях, чтобы проверить отсутствие замыкания. Емкость входа эмиттер-затвор необходимо зарядить отрицательным напряжением. Это делается кратковременным касанием щупа мультиметра «СОМ» затвора и щупа «V/Ω/f» эмиттера.

Чтобы произвести проверку, нужно убедиться, работает ли в нормальном режиме транзистор. Для этого зарядим емкость на входе эмиттер-затвор положительным полюсом.  Это делается коротким касанием щупа «V/Ω/f» затвора, а щупа «СОМ» эмиттера. Контролируется разность потенциалов эмиттера и коллектора, которая не должна превышать 1,5 вольта. Если напряжения тестера не хватит для открывания транзистора, то входную емкость можно зарядить от питания напряжением до 15 вольт.

Транзисторы имеют комбинированную структуру, то и обозначения у них соответствующие:

Силовые транзисторы производятся не только в виде отдельных полупроводников, но и в виде модулей. Такие модули входят в состав частотных преобразователей для управления электромоторами.

Схема преобразователя частоты имеет технологичность изготовления выше, если в состав входят модули IGBT транзисторов. На изображенном модуле выполнен мост из двух силовых транзисторов.

IGBT транзисторы нормально функционируют при рабочей частоте до 50 кГц. Если частоту повышать, то повышаются и потери. Свои возможности силовые транзисторы проявляют максимально при напряжении выше 400 В. Поэтому такие транзисторы часто встречаются в мощных электрических приборах высокого напряжения, а также в промышленном оборудовании.

Полевые транзисторы стали появляться в 1973 году. Затем разработали составной транзистор, который оснастили управляемым транзистором с помощью полевого полупроводника с затвором.

Первые силовые транзисторы имели недостатки, выражавшиеся в медленном переключении, низкой надежностью. После 90 годов и по настоящее время эти недостатки устранены. Силовые полупроводники имеют повышенное входное сопротивление, малый уровень управляющей мощности, малый показатель остаточного напряжения.

Сейчас существуют модели транзисторов, способных коммутировать ток до нескольких сотен ампер, с рабочим напряжением в тысячи вольт.

Похожие темы:

Что такое IGBT-транзисторы

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Владимир Дьяконов

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Ранее ЭлектроВести писали, что немецкие инженеры разработали полевой транзистор на основе оксида галлия с пробивным напряжением 1,8 кВ и рекордной добротностью — 155 МВт на квадратный сантиметр. Такие показатели приближают элемент к теоретическому лимиту оксида галлия.

По материалам: electrik.info.

IGBT силовые транзисторы International Rectifier шестого поколения

Известно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) обладают преимуществами легкого управления полевыми МОП-транзисторами и низкими потерями проводимости, характерными для биполярных транзисторов. На рис. 1 показана эквивалентная схема IGBT-транзистора.

Рис. 1. IGBT можно представить как комбинацию биполярного p_n_p транзистора и MOSFET

Традиционно IGBT используют в тех случаях, где необходимо работать с высокими токами и напряжениями. IGBT-транзисторы в настоящее время выпускают десятки производителей. Среди них — Infineon Technologies, Semikron, International Rectifier, Fairchild Semiconductor, Toshiba, Hitachi, MITSUBISHI, FUJI, IXYS, Power Integration, Dynex Semiconductor и другие.

В конце 1980-х годов было создано первое поколение IGBT-транзисторов, а уже в начале 1990-х появились второе и третье. Прогресс в технологии IGBT шел по линии увеличения рабочих напряжений и токов, а также повышения эффективности преобразования за счет снижения потерь мощности на кристалле как в статическом, так и в динамическом режимах. Происходило и удешевление приборов. К настоящему времени и для серийного производства уже используются технологии четвертого, пятого и шестого поколений IGBT-транзисторов. Следует отметить, что нумерация поколений достаточно условна и у разных фирм может отличаться.

Развитие технологии IGBT-транзисторов фирмой IR

Компания International Rectifier является признанным лидером в разработке и производстве высококачественных силовых полупроводниковых приборов. Диапазон продукции IR достаточно широк и объединяет в себе различные направления. Это и дискретные устройства (биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), мощные полевые транзисторы (MOSFET) и модульные сборки на основе кристаллов дискретных элементов, а также ИМС для управления энергосберегающими источниками света, силовые ИМС для электронных балластов люминесцентных ламп и ламп высокого давления, микросхемы драйверов IGBT и MOSFET, включая высоковольтные микросхемы HVIC, продукты на базе интегрированной платформы IMotion и цифровые контроллеры для управления электроприводом, продукты платформы SupIRBuck, микроэлектронные твердотельные реле. В настоящий момент фирма выпускает широкую номенклатуру IGBT, для производства которых используются технологии 4-го (4 PT IGBT), 5-го (5 Non-PT IGBT) и 6-го поколений (DS Trench IGBT). Для первых двух технологий в полевом транзисторе используется планарный затвор, а в последнем (DS Trench) — вертикальный. Собственно, структуры приборов для данных технологий разработаны уже давно и используются производителями на протяжении многих лет.

Рис. 2. Эволюция технологии IGBT-транзисторов в IR

Новые транзисторы оптимизированы для работы на частотах переключения до 20 кГц, и для снижения энергии потерь на проводимости и переключении в них использована Trench-технология. Эти IGBT с антипараллельным ультрабыстрым диодом имеют энергию переключения ETS и более низкое напряжение насыщения коллектор-эмиттер V_CE(on), чем IGBT PT и NPT типа. Кроме того, ультрабыстрый диод с мягким восстановлением дополнительно повышает эффективность преобразования и снижает уровень генерируемых помех.

Технология с вертикальным затвором

Для данного типа технологии затвор полевого транзистора сформирован в виде глубокой канавки (trench gate) на подложке (рис. 2). При изготовлении Trench-FS (Field Stop) транзисторов используется буферный n+ слой в основании подложки. В сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера структура затвора позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки и уменьшить напряжение насыщения транзисторов Trench-FS на 30% по сравнению с транзисторами, созданными по технологии NPT. Уменьшается почти на 70% и площадь кристалла, обеспечивается большая плотность тока транзистора.

Технология Trench немного сложнее и дороже, чем NPT. Однако уменьшение размера кристалла Trench-FS снижает его удельную себестоимость, что в итоге позволяет уравнять цены на готовую продукцию по отношению к аналогичным приборам, производимым по другим технологиям. Кроме того, благодаря снижению энергии потерь, при равноценной площади кристалла существенно возрастает ток транзистора (до 60%).

У вертикального затвора, в отличие от пла-нарного, отсутствуют горизонтальные пути протекания тока. Ток течет к коллектору по кратчайшему пути, что обеспечивает снижение потерь на проводимость. Trench IGBT имеют самый низкий уровень статических и динамических потерь среди IGBT, производимых компанией. У новых Trench IGBT благодаря уменьшению длины «хвоста» обеспечивается более плавная траектория переключения, чем у NPT IGBT. «Хвостом» (tail current) называется остаточный ток коллектора биполярного транзистора IGBT, возникающий из-за рассасывания носителей в области базы после запирания транзистора. Благодаря этому энергия выключения стала на 10-20% ниже, чем у NPT IGBT.

Линейка 600 В IGBT-транзисторов Trench 6-го поколения

Семейство 600-вольтовых Trench IGBT в первую очередь ориентировано на использование в UPS-источниках и преобразователях солнечной энергии мощностью до 3 кВт. Силовые приборы этого семейства могут также служить эффективной заменой аналогичных IGBT-транзисторов в системах управления приводом компрессоров в холодильниках, индукционных системах нагрева, а также в приводах мощных вентиляторов. Приборы позволяют на 30% снизить мощность рассеивания по сравнению с IGBT других типов. Компания разработала линейку из 8 приборов в корпусах TO-220TO-247, с рабочим напряжением 600 В и токами 4-48 А.

Для всех типов данных транзисторов используются кристаллы толщиной 70 мкм. Гарантированное время выдержки режима короткого замыкания — не менее 5 мкс для всех типов линейки.

Все корпусированные приборы выполнены по схеме Co-Pack (имеют встроенный антипараллельный ультрабыстрый диод). Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Система обозначений для IGBT-транзисторов Trench

Для ранее разработанных IGBT-транзисторов использовалась следующая система обозначений (рис. 3).

Рис. 3. Первая система обозначений для транзисторов IGBT IR

В данной системе обозначений присутствует суффикс, определяющий подкласс по быстродействию прибора (таблица 2).

В процессе разработки новых приборов возникла необходимость введения добавочных суффиксов, определяющих дополнительные параметры транзисторов, поэтому система обозначений была изменена (рис. 4). Эта система, в частности, использовалась для маркировки 600 В Trench IGBT.

Рис. 4. Система обозначений для 600 В Trench IGBTтранзисторов

После разработки технологии 1200 В Trench IGBT (Gen 6.3+) фирма ввела новую систему обозначений для новых IGBT-транзисторов 4-го и 6-го поколений, которая показана на рис. 5. Для ранее разработанных 600 В транзисторов пока сохраняется маркировка, приведенная на рис. 4.

Рис. 5. Система обозначений для поколения Gen 6.3+

Преимущества транзисторов по технологии Trench

Напряжение в открытом состоянии U_ce на 30% ниже аналогичного параметра для транзисторов 4-го и 5-го поколений и обеспечивает меньше рассеяние энергии на кристалле и нагрев, повышается эффективность преобразования энергии. Меньшая емкость затвора обеспечивает большее быстродействие, упрощает управление транзистором и снижает уровень динамических потерь.

Квадратная (Square) форма зоны допустимых режимов безопасной работы обеспечивает большую надежность прибора при работе с критическими токами и напряжениями. Незначительный остаточный ток выключения и малые потери выключения (E_OFF) позволяют транзисторам работать на более высоких частотах. На рис. 6 показаны сравнительные характеристики допустимой рассеиваемой мощности на кристалле для транзисторов Trench и IGBT-транзисторов с планарным затвором.

Рис. 6. Зависимость рассеиваемой мощности от среднеквадратичного выходного тока

Более высокая допустимая температура кристалла (175 °С) обеспечивает расширение диапазона рабочих температур и повышает надежность прибора. Температура радиатора при аналогичных режимах работы у транзистора Trench будет ниже. Меньшие размеры корпуса транзисторов Trench в сочетании с сокращением размеров радиатора позволяют ужать печатную плату.

Параметры транзисторов 6-го поколения обеспечивают более эффективное преобразование энергии и могут быть рекомендованы в качестве замены транзисторов 4-го и 5-го поколений соответствующей мощности, а также аналогичных транзисторов других производителей.

Технология с вертикальным затвором стала разрабатываться компанией International Rectifier уже тогда, когда на рынке получили широкое распространение Trench IGBT других производителей, в том числе и ведущих в данном секторе фирм — Infineon и Toshiba. Поэтому в процессе разработки линейки нового поколения IGBT-транзисторов перед специалистами IR стояла сложная задача достижения высоких параметров в сочетании с низкой ценой, что позволило бы обеспечить конкурентоспособность продукции на рынке.

Сравнение параметров IGBT-транзисторов 6-го поколения IR с аналогичными Trench IGBT-транзисторами Infineon и Toshiba показало, что по комплексу качеств они не уступают конкурентам, а по отдельным характеристикам даже превосходят их.

Однако следует признать тот факт, что по некоторым параметрам IGBT-транзисторы Infineon сохранили превосходство над транзисторами IR. Проверка по методике International Rectifier показала, что напряжение U_ce в открытом состоянии для отдельных типов транзисторов Trench IGBT фирмы Infineon меньше на 30%, чем у аналогичных по мощности транзисторов IR. Быстродействие транзисторов IR оказалось немного хуже, чем у транзисторов Infineon, но намного лучше, чем у Trench IGBT фирмы Toshiba.

В настоящее время фирма Infineon является лидером в разработке IGBT-технологий, и проигрыш International Rectifier носит скорее временный характер. В планах разработчиков в ближайшее время достичь уровня Uсе и обеспечить быстродействие не хуже, чем у Infineon. В таблице 5 приведены аналоги транзисторов IR и Infineon для выбора альтернативной замены.

1200-вольтовые Trench IGBT

Первые члены этого модельного ряда транзисторов были представлены на рынке в начале 2009 г. В таблице 6 приведены параметры линейки IGBT-транзисторов IR с рабочим напряжением 1200 В.

Области применения 600 и 1200 В IGBT-транзисторов 6-го поколения

Применение Trench IGBT-транзисторов позволяет повысить эффективность работы силовых модулей в различных приложениях. Области применения Trench IGBT:

• АС/DC, DC/AC-преобразователи;
• инверторы солнечных батарей;
• системы индукционного нагрева;
• преобразователи напряжений в гибридных автомобилях;
• электропривод в стиральных машинах;
• электронный балласт в модуле управления ксеноновым светом автомобильных фар;
• управление компрессором холодильника;
• формирователь высокого напряжения в микроволновых печах;
• электропривод компрессоров кондиционера;
• инверторы сварочных аппаратов.

В таблице 7 приведены требования, предъявляемые к параметрам IGBT-транзисторов для различных приложений.

Ниже будут более подробно рассмотрены примеры использования Trench IGBT, обеспечивающие эффективность готового устройства.

Инвертор 220 В для солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи нашли активное применение как источник электроэнергии, объемы их продаж год от года неуклонно растут. Солнечные батареи образованы из модулей солнечных фотоэлементов, обеспечивающих напряжение от 12 до 100 В и рабочие токи до нескольких десятков ампер. В промышленных применениях (например, опреснители морской воды) используются солнечные батареи с выходным напряжением от 24 до 100 В и мощностью в несколько киловатт. Схема преобразования солнечной энергии такова: солнечная батарея—буферный аккумулятор—инвертор (DC/AC-конвертор) 220/380 В—промышленная установка, питающаяся от сети 220/380 В. На рис. 7 показана структура DC/AC-инвертора для солнечных батарей.

Рис. 7. Структура инвертора для питания от солнечных батарей

А на рис. 8 приведен конкретный пример реализации инвертора мощностью 500 Вт с использованием силовых элементов IR, в том числе и Trench IGBT-транзисторов 6-го поколения, обеспечивающих более высокую эффективность преобразования солнечной энергии.

Рис. 8. Инвертор для солнечной батареи мощностью 500 Вт

В схеме используются микросхемы и дискретные транзисторы IR:

• 600 В Trench IGBT-транзистор IRGB4056DPBF;
• 100 В DirectFET транзисторы, IRF6644;
• генератор для управления мостовой схемой IR2086S;
• 600 В микросхема полумостового драйвера IRS2184S.

Для синтеза 50 Гц используется частота ШИМ 20 кГц.

На рис. 9 показана демо-плата инвертора, собранного по данной схеме. Размер платы около 100×40 мм.

Рис. 9. Демо-плата 500 Вт 220 В инвертора для солнечной батареи

Управление электроприводом

На рис. 10 показана типовая схема управления асинхронным электродвигателем. Модуль управления может быть использован в стиральных машинах, компрессорах холодильников или кондиционеров. В качестве силовых ключей в схеме используются Trench IGBT-транзисторы.

Рис 10. Типовая схема интеллектуального привода для асинхронного двигателя мощностью от 250 Вт до 2 кВт

Драйверы плазменных матричных панелей

Для управления поджигом и гашением разряда в пикселях матричной плазменной панели требуется формирование высоковольтных сигналов сложной формы. IGBT-транзисторы идеально подходят в качестве ключевых элементов для реализации гибридных многовыходных драйверов в плазменной панели. Матричная система пикселей плазменной панели с точки зрения управления представляет собой емкостную нагрузку. Ключевые приборы для таких устройств должны быстро включаться, обеспечивать высокие импульсные токи и иметь низкое падение напряжения в открытом состоянии.

На рис. 11 показана структура плазменной панели.

Рис. 11. Структура плазменной панели

На рис. 12 показана схема управления пикселем плазменной панели.

Рис. 12. Схема управления одним пикселем в плазменной панели на базе IGBT-ключей

Схема обеспечивает синтез сигналов сложной формы с большим диапазоном напряжений (от -150 до +400 В) и импульсных токов.

Заключение

В первую очередь транзисторы Trench IGBT могут использоваться в качестве альтернативной замены аналогичных приборов, ранее разработанных компанией International Rectifier, обеспечивая увеличение эффективности преобразования энергии и снижение цены готового устройства.

Транзисторы Trench IGBT могут с успехом заменять все равноценные по мощности типы транзисторов 4-го и 5-го поколений IGBT, если только значение параметра SCSOA спецификации — 5 uS окажется приемлемым для данных применений. Во всех случаях при замене будет обеспечена лучшая эффективность преобразования, а также большая плотность мощности. Транзисторы 6-го поколения IGBT IR могут использоваться и в качестве недорогой альтернативы аналогичным приборам, выпускаемым другими производителями. Поколение Trench IGBT позволяет сбалансировать потери на переключениях и проводимости и использовать биполярные транзисторы с изолированным затвором в области высоких частот вместо полевых МОП-транзисторов, одновременно обеспечивая высокий КПД. Преимущества IGBT-транзисторов 6-го поколения позволят им потеснить, а по мере совершенствования технологии IGBT и вовсе заменить полевые МОП-транзисторы в импульсных источниках питания.

1. Транзисторы Trench IGBT шестого поколения. Башкиров В. // Новости электроники. 2007. № 7.
2. Силовые IGBT-модули Infineon Technologies. Анатолий Б. // Силовая электроника. 2008. № 2.
3. IGBT или MOSFET? Проблема выбора. Евгений Д. // Электронные компоненты. 2000. № 1.
4. Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением. Александр П. // Современная электроника. 2004. № 4.
5. Транзисторы IGBT. Новинки от компании International Rectifier. Волошанская Е. // Электроника: НТБ. 2005. № 5.
6. AC TIG Welding: Output Inverter Design Basics. Roccaro A., Filippo R., Salato M. Application Notes AN-1045
7. IGBT Characteristics. Application Note AN-983.

Основные параметры и аспекты применения дискретных IGBT

1 октября 2018

Инструкция по особенностям практического применения дискретных транзисторов IGBT с экскурсом в основы теории и результатами практических испытаний для трех моделей IGBT производства Infineon: IRG7PC35SD для резонансных приложений с мягкими переключениями, IRGB20B50PD1 для работы на высоких частотах и IRGP4069D для высокочастотных приложений с жесткими переключениями.

Требования к схеме управления затвором

Влияние импеданса цепи затвора на потери при переключениях

Эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) состоит из биполярного PNP-транзистора, управляемого N-канальным МОП-транзистором (MOSFET) (рисунок 1). Вывод, называемый коллектором, фактически является эмиттером для внутреннего PNP-транзистора. MOSFET управляет базой PNP-транзистора и определяет скорость включения и падение напряжения на IGBT в открытом состоянии. Таким образом, выход внешнего драйвера подключается напрямую к затвору MOSFET, ток стока которого становится базовым током PNP-транзистора. Поскольку характеристики включения IGBT сильно зависят от параметров входного МОП-транзистора, то потери на включение определяются величиной импеданса цепи затвора. С другой стороны, характеристики выключения в основном зависят от скорости рекомбинации неосновных носителей, а значит, параметры встроенного МОП-транзистора значительно меньше влияют на уровень потерь IGBT при выключении.

Рис. 1. Эквивалентная схема IGBT

В результате, в отличие от силовых МОП-транзисторов, заряд затвора IGBT не полностью определяет уровень динамических потерь. В то же время заряд затвора остается важным параметром при расчете цепей управления IGBT.

Увеличение импеданса в цепи затвора продлевает плато Миллера и уменьшает скорость спадания тока. В то же время влияние импеданса на общие потери коммутации зависит от конструкции IGBT и его динамических характеристик. При этом потери на включение для всех без исключения IGBT сильно зависят от величины импеданса. Однако влияние импеданса на потери при выключении зависит от скорости IGBT и его технологии. Например, trench-IGBT и высокоскоростные IGBT отличаются большей чувствительностью к импедансу в цепи затвора. Однако, в любом случае верно, что входной импеданс затвора IGBT имеет большое значение, а дополнительный импеданс, вносимый цепью управления, оказывает меньшее влияние на уровень потерь.

На практике импеданс в цепи затвора часто увеличивают, чтобы ограничить выбросы тока, вызванные восстановлением обратного диода, при включении. Такой подход во многих случаях способен значительно снизить динамические потери. При этом негативное влияние от увеличения импеданса можно минимизировать с помощью дополнительного обратного диода, включенного параллельно затворному резистору. Это позволит сократить потери при выключении.

Зависимость энергии переключения от величины сопротивления в цепи затвора, как правило, всегда приводится в документации на современные силовые ключи.

Влияние импеданса цепи затвора на чувствительность к шуму

В биполярных транзисторах с изолированным затвором любое изменение напряжения dv/dt на коллекторе оказывает влияние на напряжение на затворе из-за наличия паразитной емкостной связи. Эта связь определяется делителем, образованным емкостью Миллера C_RES и емкостью «затвор-эмиттер» C_GE (рисунок 2а). При определенном соотношении этих двух емкостей и импеданса затвора (Z_G) выброс напряжения может оказаться достаточным для включения IGBT.

Если затвор не имеет жесткой связи с эмиттером, то определенный высокий уровень dv/dt на коллекторе может вызвать на затворе значительный выброс напряжения, превышающий пороговое напряжение, что приведет к переходу IGBT в открытое состояние. По мере перехода IGBT в проводящее состояние происходит ограничение dv/dt, спад напряжения на затворе и окончательное закрывание транзистора (рисунок 2б). В результате описанного выше процесса  через IGBT протекает короткий импульс сквозного тока, который вызывает дополнительные потери мощности.

Обратите внимание, что сквозной ток, протекающий через IGBT, сложно отделить от тока перезаряда выходной емкости (рисунок 2б). Сквозной ток начинает преобладать только после того, как напряжение затвора превысит пороговое значение (приблизительно от 3 до 5 В), а емкостный ток перезаряда начинает протекать сразу же, как только начинается изменение dv/dt на коллекторе.

Чтобы уменьшить чувствительность к помехам и снизить риск паразитного включения IGBT, импеданс в цепи затвора в выключенном состоянии транзистора должен быть минимальным, а напряжение затвора близким к нулю. Для решения этой задачи иногда применяют дополнительный PNP-транзистор в цепи затвора IGBT (рисунок 2а).

В приложениях с высокой мощностью для включения и выключения IGBT часто используют уровни  управляющего напряжения затвора от +15 В до -5…-15 В соответственно. Это обеспечивает дополнительный уровень помехоустойчивости и улучшает характеристики переключения. Однако такой подход требует создания дополнительного изолированного источника питания для IGBT верхнего плеча, что увеличивает стоимость схемы управления. Важно отметить, что если в приложении необходимо только лишь обеспечить защиту от dv/dt, то для решения проблемы может быть достаточно дополнительного конденсатора, включенного между затвором и истоком, или рассмотренного выше варианта с PNP-транзистором (рисунок 2а).

Рис. 2. Изменение напряжения dv/dt на коллекторе нижнего IGBT приводит к изменению напряжения на затворе и появлению сквозного тока

Таким образом, бывают случаи, когда увеличение рассеиваемой мощности из-за эффекта dv/dt оказывается меньшим из зол по сравнению с необходимостью создания сложной схемы управления с отрицательным напряжением для управления затвором. В любом случае индуктивность в цепи затвора должна быть минимизирована, например, за счет подключения затвора с помощью нескольких параллельных дорожек на печатной плате или применения нескольких скрученных проводов.

Компания Infineon предлагает большой выбор драйверов, отвечающих требованиям самих разных приложений. Например, схема, представленная на рисунке 3, обеспечивает простое, недорогое и эффективное решение для управления затвором IGBT. В качестве еще одного примера можно привести схему, изображенную на рисунке 4. В ней драйвер контролирует напряжение затвора, что позволяет ему при необходимости ограничивать ток и обеспечивать защиту от короткого замыкания.

Рис. 3. IR2110 обеспечивает простое, высокопроизводительное и недорогое решение для управления полумостовой схемой

Рис. 4. Схема управления IGBT с защитой от короткого замыкания

Вклад общей индуктивности эмиттера в импеданс цепи затвора

Под понятием «общая индуктивность эмиттера» понимается индуктивность, которая является общей для тока коллектора и тока затвора (рисунок 5а). Эта индуктивность определяет дополнительную обратную связь между коллектором и затвором, которая пропорциональна L·di_C/dt. Не сложно заметить, что падение напряжения на этой индуктивности вычитается из напряжения затвор-исток при включении транзистора, и добавляется к нему при выключении. Таким образом, общая индуктивность замедляет процесс переключения IGBT.

Это явление похоже на эффект Миллера, за исключением того, что оно пропорционально скорости изменения тока коллектора di/dt, а не его напряжения dv/dt. В обоих случаях обратная связь пропорциональна крутизне передаточной характеристики IGBT, которая определяется размером кристалла и используемой технологией. Значение di/dt на уровне 0,7 A/нс является распространенным для схем с IGBT. В таком случае при наличии паразитной индуктивности 10 нГн, на ней можно ожидать падения напряжения 7 В. Стоит отметить, что обратная связь замедляет процесс включения, тем самым ограничивая di_C/dt.

Простые меры предосторожности могут снизить общую индуктивность эмиттера до минимального значения, которое определяется паразитной индуктивностью корпуса транзистора. Для этого следует разделить проводники, используемые для протекания тока коллектора, и проводники, относящиеся к схеме управления затвором (рисунок 5б). При этом, чтобы дополнительно уменьшить индуктивность, необходимо свить прямой и обратный проводники в цепи затвора или разместить их параллельно, если речь идет о печатной плате. Эти методы повышают стойкость к изменению di/dt и уменьшают звон в цепи затвора.

Рис. 5. Общая индуктивность эмиттера может быть уменьшена за счет использования отдельных проводников для протекания тока коллектора и для управления затвором

Траектории переключения и область безопасной работы ОБР

При работе с большими токами и напряжениями неосновные носители могут быть неравномерно распределены по кристаллу IGBT, что в случае выхода из области безопасной работы (ОБР) приводит к отказу силового ключа. В разделе 6 руководства AN-983 от Infineon/International Rectifier рассматриваются условия, при которых это происходит.

Распределение тока внутри кристалла может быть различным и зависит от знака связанного с ним di/dt. Поэтому область безопасной работы представляется в виде двух графиков: ОБР с прямым смещением и ОБР с обратным смещением.

ОБР с прямым смещением относится к работе транзисторов в линейных режимах A и B, а также в режиме короткого замыкания, который можно рассматривать как предельный случай режима B. Данные о тепловых ограничениях при работе IGBT с импульсными токами часто включаются в график ОБР, хотя на кривой теплового отклика (Transient Thermal Response) эта же информация представляется более полно и точно. Из-за ограниченного использования IGBT в линейном режиме график ОБР с прямым смещением обычно не приводится в документации.

ОБР с обратным смещением относится к случаю выключения индуктивной нагрузки и к случаю выключения при коротком замыкании (рисунок 6). На первом этапе при отключении индуктивной нагрузки напряжение на коллекторе транзистора увеличивается от низкого значения V_CE(sat) до полного напряжения питания, при этом ток коллектора остается постоянным. После этого напряжение на коллекторе продолжает нарастать и превышает напряжение питания. Когда напряжение на коллекторе превышает напряжение питания на величину прямого падения p-n-перехода, диод, включенный параллельно индуктивности, открывается, тем самым отводя ток от транзистора. Таким образом, рабочая точка движется вдоль линии постоянного тока до тех пор, пока напряжение коллектор-эмиттер не превысит напряжение питания (рисунок 6б). Дальнейшее увеличение напряжения коллектора зависит от величины паразитной индуктивности L_S и скорости выключения.

Рис. 6. Отключение индуктивной нагрузки и траектория рабочей точки во время переходного процесса

Очевидно, что для обеспечения безопасной коммутации вся траектория переключения должна лежать внутри ОБР. Таким образом, ОБР накладывет ограничения на величину коммутируемой индуктивной нагрузки.

Вторичный пробой IGBT происходит при токах и напряжениях, которые значительно превышают типовые значения, встречающиеся в реальных приложениях.{t}{V_{CE}(i)\times i(t)dt},$$

где t — длина импульса. Зная энергию, можно рассчитать рассеиваемую мощность, для чего следует умножить энергию на частоту. При этом полагается, что потери оказываются незначительными, когда транзистор выключен i(t) ≈ 0. К сожалению, не существует простых выражений для определения напряжений и токов для IGBT в момент, когда он проводит ток. Следовательно, для упрощения мы будем разделять потери на две составляющие: статические потери проводимости и динамические потери при переключениях.

К потерям проводимости относятся потери, возникающие между окончанием интервала включения и началом интервала выключения. Обычно энергия включения измеряется в интервале времени между моментом, когда ток коллектора превышает значение 5% от номинального значения, до момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» падает до 5% от испытательного напряжения. Аналогично, энергия выключения измеряется с момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» превышает 5% от испытательного напряжения. Таким образом, потери проводимости следует отсчитывать с момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» составляет менее 5% от испытательного или питающего напряжения (см. руководство AN-983 от  Infineon/International Rectifier, раздел 8.4). Зависимость V_CE(i) в приведенной выше формуле определяет поведение IGBT в открытом состоянии. Эта информация представлена в документации в виде графиков и табличных значений.

Как правило, в таблицах приводится информация только для нескольких конкретных рабочих точек. Однако, используя дополнительные данные, получаемые из графиков, можно выполнить расчет потерь проводимости. Поиск максимального напряжения V_CE при любом токе и температуре делается за три шага:

1. Определите типовое значение напряжения коллектор-эмиттер V_CE из графика типовой зависимости V_CE от тока коллектора i_C для заданных значений тока и температуры кристалла.
2. Определите коэффициент разброса прямого падения напряжения V_CE. Для этого разделите максимальное значение V_CE на типовое значение V_CE, взятые из табличных данных.
3. Умножьте значение V_CE, полученное на первом шаге, на коэффициент разброса.

Умножая полученное максимальное значение V_CE на величину номинального тока и на длительность импульса, получаем энергию потерь проводимости. Если же требуется рассчитать мощность потерь, то произведение тока и напряжения следует умножать на коэффициент заполнения.

Описанный алгоритм расчета относится к случаю, когда ток коллектора имеет постоянное значение в течение интервала проводимости. Если форма сигнала в течение интервала проводимости непостоянна, то интервал следует разделить на части, и рассчитать потери проводимости для каждой из частей с последующим суммированием. В идеале самым универсальным способом является построение математической модели с аппроксимацией зависимости тока и напряжения, а также формы рабочего сигнала с дальнейшим выполнением интегрирования.

Потери при жестких переключениях

При определении динамических потерь при жестких переключениях следует отдельно рассчитывать потери при включении и потери при выключении.

Как и в случае с потерями проводимости, потери при жестких переключениях рассчитываются с учетом графиков и табличных данных, приведенных в документации.

Как поясняется в разделе 8.4 руководства AN-983 от Infineon/International Rectifier, значение энергии переключения, указанное в документации, приводится для конкретных тестовых условий и для конкретной схемы испытаний. Важно помнить, что энергия переключения значительно изменяется с температурой, и все вычисления должны проводиться с учетом данных, приведенных для заданной температуры.

Потери на включение и выключение могут быть рассчитаны с использованием методики, описанной в предыдущем разделе, с некоторыми дополнительными изменениями:

• Показатели потерь энергии должны быть масштабированы с учетом рабочего напряжения. Как уже было сказано, данные, представленные в документации, были получены при определенном значении напряжения, которое может иметь другое значение в рассчитываемой схеме.
• Точно так же сопротивление в цепи затвора тестовой схемы, применяемой в документации, может отличаться от сопротивления, используемого в фактическом приложении. В последнее время в документации приводится зависимость энергии переключения от сопротивления в цепи затвора.
• чтобы получить значение потерь мощности, следует умножить энергию переключения на частоту.

Переходной процесс при включении транзистора осложняется из-за восстановления диода, подключенного параллельно индуктивной нагрузке (рисунок 6а). Когда IGBT включается, через него начинает протекать не только ток нагрузки, но и ток восстановления обратного диода. Данные о потерях из-за встроенного диода также приводят в современной документации.

Ранее при тестировании IGBT использовалась другая тестовая схема с «идеальным диодом». Поэтому в документации приводились данные о потерях на включение без потерь на диоде. Таким образом, при необходимости эти составляющие потерь следует рассчитать по отдельности и сложить.

На рисунке 7 показана типовая форма сигналов при включении. Обратите внимание, что обратное восстановление диода увеличивает динамические потери за счет двух механизмов:

Рис. 7. Обратное восстановление диода увеличивает ток нагрузки (IRGP4066D, 400 В, 75 А, 175°C)

• из-за того, что ток восстановления диода добавляется к току транзистора, когда напряжение коллектора все еще близко к напряжению питания;
• из-за того, что уменьшение напряжения происходит с задержкой.

Как и в случае с расчетом потерь проводимости, потери при переключениях можно рассчитать с помощью относительно простых алгоритмов.

Компромисс между потерями проводимости и потерями при переключениях: оптимизация транзисторов

Для повышения эффективности преобразовательных схем компания Infineon предлагает использовать специализированные IGBT, предназначенные для работы в составе конкретных приложений. Например, существуют транзисторы, оптимизированные для питания двигателей, для индукционного нагрева, для плазменных дисплеев и т.д.

В результате номенклатура IGBT разрастается и становится достаточно разнообразной. По этой причине  поиск оптимального транзистора превращается в сложный итерационный процесс, который практически невозможно формализовать. Кроме того, разработчикам силовых схем приходится искать компромисс между потерями на переключения, потерями проводимости и требованиями устойчивости к короткому замыканию. Чтобы продемонстрировать необходимость компромисса, приведем пример сравнения различных транзисторов в рамках типовой импульсной схемы с учетом тепловых показателей.

Для сравнения различных моделей IGBT была выбрана популярная полумостовая схема, коммутирующая индуктивную нагрузку. Условия проведения испытаний приведены на рисунке 8, и могут быть изменены в соответствии с конкретным приложением. Вместо полумоста можно использовать обратноходовые или резонансные схемы. Из рисунка 8 становится видно, что изменение рабочей частоты по-разному влияет на значение максимального коммутируемого тока для разных транзисторов.

Рис. 8. Зависимость максимального коммутируемого тока от частоты переключений для трех разных IGBT

На рисунке 8 изображены результаты испытаний для следующих моделей IGBT:

• IRG7PC35SD – IGBT-транзистор, выполненный по trench-технологии с высокой плотностью и разработанный с целью получения минимального падения напряжения. Этот транзистор является идеальным выбором для резонансных приложений (с мягкими переключениями). Как и следовало ожидать, в результате испытаний IRG7PC35SD продемонстрировал отличные показатели на низких частотах.
• IRGB20B50PD1 – планарный транзистор технологии Gen 5. Несмотря на то, что IRGB20B50PD1 был разработан в конце девяностых годов, он по-прежнему остается одним из лучших транзисторов для работы на высоких частотах, несмотря на то, что падение напряжения у него выше, чем у транзисторов, выполненных по trench-технологии.
• IRGP4069D – IGBT-транзистор, производимый по trench-технологии, предназначенный для высокочастотных приложений с жесткими переключениями.

Тепловой анализ

IGBT, как и силовые МОП-транзисторы и тиристоры, имеют ограничения, связанные с тепловым режимом эксплуатации. Грамотно выполненный тепловой анализ становится ключом к их эффективному использованию. Эта тема подробно освещена в руководстве AN-1057 от Infineon/International Rectifier.

В общем случае целью теплового анализа является выбор оптимального радиатора. Для этого может потребоваться ряд расчетов, как указано в руководстве AN-949 от Infineon/International Rectifier.

Чтобы значение теплового сопротивления «корпус-радиатор» соответствовало значению, указанному в документации, следует при монтаже использовать то же самое усилие затяжки. Стоит помнить, что чрезмерное усилие затяжки приводит к деформации корпуса и может повредить кристалл. С другой стороны, недостаточный момент затяжки приводит к ухудшению теплоотвода.

Повышение температуры при работе с короткими импульсами тока может быть рассчитано с помощью кривой теплового отклика (thermal response curve), которая приводится в документации. Этот расчет рассматривается в разделе «Peak Current Rating» руководства AN-949 от Infineon/International Rectifier.

Для коротких импульсов (5 мс или менее) повышение температуры, рассчитанное с помощью кривой теплового отклика, как правило, оказывается неточным. В таких случаях требуется выполнение подробного моделирования.

Замена MOSFET-транзисторов на IGBT

Во многих высоковольтных приложениях не удается использовать МОП-транзисторы, несмотря на их отличные динамические характеристики. Причиной этого является их невысокая устойчивость к помехам и наличие значительных паразитных индуктивностей. В таких случаях IGBT становятся наиболее привлекательной альтернативой по целому ряду причин. К преимуществам IGBT можно отнести:

• минимальные потери проводимости, которые слабо зависят от температуры.
• меньшая площадь кристалла по сравнению с MOSFET, что приводит к уменьшению входной емкости, упрощению управления затвором и снижению стоимости.
• отсутствие резких перепадов di/dt и dv/dt, что обеспечивает минимальный уровень генерируемых помех и хорошие показатели ЭМС.
• высокие динамические характеристики встроенных диодов, которые значительно превосходят показатели встроенных диодов MOSFET, благодаря чему при переключениях генерируются меньшие импульсы тока. Это является большим плюсом для приложений, в которых обратный диод является обязательным элементом схемы.

Поскольку корпусные исполнения и назначение выводов у MOSFET и IGBT совпадает, то при их замене друг на друга никаких механических изменений или модификаций печатной платы не требуется.

Требования к управлению затворами IGBT и МОП-транзисторов в значительной степени совпадают. В большинстве случаев для нормального включения будет достаточно 12…15 В, а при выключении можно обойтись без отрицательных запирающих напряжений. Так как входная емкость у IGBT меньше, чем у MOSFET, то чтобы избежать звона, в ряде схем может потребоваться увеличение сопротивления резистора в цепи затвора.

Рекомендации по параллельному включению IGBT

При параллельном включении нескольких IGBT удается уменьшить потери проводимости и снизить тепловое сопротивление. В то же время потери при переключениях, наоборот, увеличиваются. Таким образом, если основной вклад в общие потери вносит динамическая составляющая, то использование параллельного включения позволит улучшить только тепловые характеристики.

Параллельное включение МОП-транзисторов можно выполнить без особых проблем из-за положительного температурного коэффициента их потерь проводимости, в то время как потери на переключения для MOSFET в значительной степени не зависят от температуры. У IGBT наблюдается обратная картина – потери проводимости слабо зависят от температуры, зато потери на переключение имеют значительный положительный температурный коэффициент. По этой причине использование параллельного включения IGBT оказывается не таким простым, как для МОП-транзисторов.

Вопросы параллельного включения МОП-транзисторов были подробно рассмотрены в руководстве AN-941 от Infineon/International Rectifier. Большинство выводов, сделанных в AN-941, справедливы и для IGBT. При необходимости читатель может ознакомиться с ними самостоятельно. Далее будут рассмотрены только те вопросы, которые характерны для IGBT.

Напряжение насыщения V_CE(on) в IGBT слабо зависит от тока и температуры, в то время как для МОП-транзисторов падение напряжения на открытом канале сильно зависит от обоих параметров. Когда два IGBT работают параллельно, напряжение V_CE(on) для обоих транзисторов будет одинаковым в «принудительном» порядке. Таким образом, при заданной нагрузке через один IGBT может протекать больше тока, чем через другой. Эта разбалансировка для малых значений токов очень часто оказывается достаточно значительной и достигает 75…100%. Само по себе неравномерное распределение токов не является чем-то критическим, однако это оказывает значительное влияние на перегрев и потери на переключения. Рассмотрим эти вопросы подробнее.

Температура перехода: Поскольку падение напряжения одинаково для обоих IGBT, то транзистор, через который протекает больше тока, рассеивает большую мощность и имеет больший перегрев кристалла. Это смягчается тремя факторами:

1. Обширные испытания показали, что неравномерное распределение нагрузки имеет тенденцию к уменьшению по мере увеличения тока. Это связано с тем, что разница в напряжениях насыщения сокращается с ростом тока. Таким образом, значительная разбалансировка при малых токах оказывается не такой значительной при больших токах.
2. Обеспечение хорошей тепловой связи между кристаллами транзисторов гарантирует, что, несмотря на значительный дисбаланс токов, температурный перепад будет находиться в пределах нескольких градусов.
3. Существуют IGBT с небольшим положительным температурным коэффициентом. Они становятся оптимальным выбором, если требуется параллельное включение транзисторов.

Потери коммутация при рассогласовании токов: вполне очевидно, что IGBT, который проводит больше тока, переключается также при большем токе. Следовательно, на него будет приходиться не только большая часть потерь проводимости, но большая часть динамических потерь на переключения.

Казалось бы, существует лавинообразный процесс, который должен привести к тому, что из-за более высоких потерь температура перегруженного IGBT превысит допустимое значение. Однако аналитический и экспериментальный анализ показал, что с увеличением тока дисбаланс между транзисторами уменьшается, а отличие температур сокращается до нескольких градусов. Это, как было сказано выше, связано с выравниванием напряжений насыщения при увеличении токовой нагрузки.

Стоит отметить, что наиболее эффективным методом борьбы с неравномерным распределением токов при параллельном включении является отбор транзисторов. Еще одной важной причиной разбалансировки являются различия в пороговых напряжениях, что особенно заметно у trench-IGBT. Таким образом, подбор транзисторов с согласованными значениями V_CE(on) и V_GS(th) является эффективным способом защиты от неравномерного распределения токов.

В дополнение к совету, озвученному в предыдущем абзаце, рекомендуется следовать рекомендациям, упомянутым в руководстве AN-941:

• Используйте отдельные резисторы затвора для устранения риска паразитных колебаний.
• Убедитесь, что транзисторы, включенные параллельно, имеют сильную тепловую связь.
• Выравнивайте значения общей индуктивности эмиттера и уменьшайте ее до величины, которая не оказывает большого влияния на общие потери коммутации на заданной частоте.
• Минимизируйте индуктивность рассеяния до значения, которое обеспечивает допустимое значение выбросов напряжения при максимальном рабочем токе.
• Убедитесь, что схема управления имеет минимальное собственное сопротивление.
• Защитные стабилитроны в цепи затвора могут вызывать колебания. Если без них не обойтись, то следует размещать их между выходом драйвера и резистором затвора.
• Помните, что конденсаторы в цепи затвора замедляют коммутацию, тем самым увеличивая рассогласование между устройствами, а также могут вызывать колебания.
• Паразитные составляющие должны быть минимизированы. Проводящий рисунок и электрические соединения должны быть максимально симметричными для всех транзисторов.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

Транзистор IGBT-принцип работы, структура, основные характеристики

Силовой транзистор IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод-«затвор», который изолирован от силовой цепи. Полное название прибора: биполярный транзистор с изолированным затвором.

Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.

Рис. №1. Эффективность использования технологий на основе мощных IGBT-транзисторов

Преобладающее значение приобрело его использование в цепях силового предназначения для частотных преобразователей, для двигателей переменного тока, мощность, которых может доходить до 1 МВт. По своим вольтамперным характеристикам он считается аналогом биполярному транзистору, однако качественные энергетические показатели и чистота коммутационных действий намного выше, чем качество работы других полупроводниковых элементов.

Постоянно совершенствующиеся технологии позволяют улучшить качественные характеристики транзисторов. Созданы элементы, рассчитанные на большую величину напряжения, выше 3 кВ и большие значения тока до нескольких сотен ампер.

Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов

• Напряжение управления – это разрешенная проводимость, которая отпирает или запирает прибор.
• Открытое проводящее состояние характеризуется падением напряжения, определяемым пороговым напряжением и внутренним сопротивлением, величина максимально допустимого тока.

Для применения в конструкции регуляторов скорости используются транзисторы, рассчитанные на рабочие частоты в пределах до нескольких десятков килогерц.

Преимущества IGBT транзисторов

• Высокая плотность тока.
• Практически отсутствие потерь статического и динамического типа.
• Отсутствие управляющего тока позволяет не прибегать к использованию гальванически изолированных схем для работы и управления с применением дискретных элементов и предоставляет возможность создания интегральных схем – драйверов.
• Стойкость к воздействию короткого замыкания.
• Относительная простота параллельного соединения.

При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока. Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Применение IGBT-транзистора

Одной из важных сфер использования солового транзистора – это использование в сетях с напряжением 6,5 кВ для создания безопасной и гарантированно надежной работы электроустановок в режиме короткого замыкания.

Для ограничения токов к. з. и приближению их к величине, которая не приведет к повреждениям оборудования. Они выполняют ограничение напряжения на затворе до уровня, не превышающем U = 15,3В. Это достигается с помощью применения следующих мер:

1. Ограничение величины напряжения на затворе с помощью привязки к фиксированному уровню напряжения. Это возможно в том случае, если драйвер затвора обладает источником стабильного напряжения. Основной способ -добавление в схему диода с малым падением напряжения, например, диод Шотки. Высокая эффективность меры достигается снижением индуктивности цепи между клеммами источника и затвора.
2. Ограничение значения напряжения на затворе с помощью присоединения в цепь между эмиттером и затвором — стабилитрона. Эффективность метода достигается максимально приближенным монтажом диодов к вспомогательным клеммам модуля. Для этой цели должны использоваться диоды с очень маленьким температурным дрейфом и разбросом, примером могут служить диоды ограничивающие переходные напряжения (диоды типа: 1,5КЕ6,8Са и 1,5КЕ7,5СА двунаправленные).
3. Включение в схему отрицательной эмиттерной обратной связи. Этот метод возможен после подключения эмиттера драйвера затвора к основным клеммам эмиттера модуля. Эмиттерная связь обратного действия способствует эффективному ограничению напряжения на затворе.

Примеры расчета IGBT-транзистора

Выбор транзистора производится по следующим условиям, например, для преобразователей напряжения с резонансным контуром.

• Транзистор должен переключался при значении нулевого тока.
• Форма токовой синусоиды относительно силовых ключей должна быть аналогична к собственной частоте контура и составляет 100 кГц.
• Амплитуда тока должна соответствовать средней мощности, например, как 40 А к 2000 Вт.
• Определение максимального значения напряжения и максимальной частоты переключения транзисторов при условии, что плечи транзисторов должны работать в противофазе.

Для подбора драйвера IGBT транзистора руководствуются параметрами управления затвора, необходимого для коммутирования отпиранием и запиранием силового полупроводника. Для определения мощности управления нужно знать величину заряда затвора Q gate, частоту коммутации (fin) и реальный замеренный размах напряжения на выходе драйвера ΔVgate

Формула заряда затвора:

где время интегрирования должно не превышать время на управление выходных напряжений драйвера до их окончательных показателей, или при достижении выходного токового значения драйвера близкого к нулю.

Выбор максимальной величины тока управления  затвором определяется по упрощенной формуле:

Зависит от осцилляции величины тока на выходе. Если осцилляция тока управления затвором есть, то значение пикового тока должно быть очень большим, а его величина должна определяться исключительно с помощью измерения.

Не менее важны условия учета размаха выходного напряжения. Наихудший случай – это максимальное значение размаха на затворе, измеряется по реально существующей схеме.

Необходим учет максимальной рабочей температуры, руководствуются значением характерным для условия естественной конверсии без использования принудительного охлаждения.

Максимальная частота коммутации, она должна быть максимально-допустимая. На выбор оказывает влияние результирующая выходная мощность и рассеиваемая мощность резистора, используемого в цепи затвора.

Максимальный ток управления зависит от величины пикового тока, который может протекать через реальный контур управления затвором без появления осцилляций.

Проверка мощных IGBT-транзисторов

Проверка силового транзистора возникает при необходимости ревизии сгоревшего транзистора, например, при ремонте сгоревшего сварочного аппарата или с целью подбора пары для устройства, с тем, чтобы убедится, что это не «перемаркер». Проверку осуществляем с помощью мультиметра: прозваниваем вывода коллектора и эмиттера в обоих направлениях, так мы убедимся в отсутствии короткого замыкания. Входную емкость затвор-эмиттер заряжаем отрицательным напряжением. Осуществляется с помощью кратковременного и одновременного прикосновения щупом «СОМ» мультиметра затвора и щупом от гнезда «V/Ω/f» — эмиттера.

Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.

Для проверки необходимо убедиться в рабочей функциональности транзистора. Заряжаем емкость на входе затвор-эмитер положительным напряжением. Это можно сделать, коротко прикоснувшись щупом мультиметра «V/Ω/f» — затвора, к щупу«СОМ» — эмиттера. Проверяем напряжение между коллектором и змиттером, оно должно быть не больше 1,5В, меньшая величина напряжения характерна для низковольтных транзисторов. Если напряжения мультиметра не хватает для открытия и проверки транзистора, входная емкость может заряжаться от источника постоянного напряжения со значением до 15 в.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

IGBT транзисторы STMicroelectronics — PT Electronics

IGBT транзисторы компании STMicroelectronics обеспечивают оптимальный компромисс между скоростью переключения и поведением в открытом состоянии в широком диапазоне напряжений пробоя от 350 В до 1300 В и могут широко применяться в таких областях как автомобильная промышленность, бесперебойное питание, индукционный нагрев, сварка, освещения и других применениях.

IGBT-транзисторы с напряжением пробоя 300 – 400 В

IGBT-транзисторы 600 – 650 В

IGBT-транзисторов 900 – 1300 В

По вопросам применения, заказов образцов и приобретения обращайтесь к нашим специалистам департамента Активных компонентов.

Характеристики IGBT-транзисторов с напряжением пробоя 300 – 400 В

Характеристики IGBT-транзисторов 600 – 650 В

Характеристики IGBT-транзисторов 900 – 1300 В

Оригинальные силовые биполярные IGBT транзисторы из Китая и немного о ремонте

Длинная, но полезная предыстория

Есть 3 основные причины поломки такой техники:
1. Неправильная эксплуатация самим пользователем — это основная причина поломки аппаратов.
Существует куча способов убить исправный аппарат, перечислять их можно бесконечно…
2. Косяки производителя — некачественные элементы и сборка. В данном случае иногда помогает гарантия (но далеко не всегда).
3. Естественный износ — происходит, если аппаратом пользоваться очень аккуратно или редко за длительный период времени. Как правило, до естественного износа аппараты не доживают 🙁

На этот раз в ремонт попал сварочный инвертор Сварог ARC205 (Jasic J96) после неудачного ремонта в мастерской. Изначальная причина выхода их строя была №2 и затем аппарат добили в мастерской Очень часто после таких «ремонтов» аппараты восстановлению уже не подлежат, т.к. отсутствуют крепёжные элементы и появляются дополнительные механические и электрические повреждения. Так и в этот раз — половина крепежа утеряна, не хватает прижимных планок, транзисторы стоят все пробитые и разные, причём которые в принципе тут работать не могли. Первопричиной неисправности явился конструктивный недостаток этого инвертора — плата управления своими элементами касалась металлической рамы. Это и привело к сбою работы управляющей схемы и выходу из строя IGBT транзисторов, а затем драйвера и схемы плавного пуска. Ремонт получался либо быстро и дорого, либо приемлемо но долго, поэтому хозяин аппарата решил его не восстанавливать и просто отдал на запчасти. Такое часто бывает… Если-бы ремонт сразу проводил нормальный мастер, проблем с восстановлением было-бы заметно меньше.
Фото внутренностей сварочника в исходном виде я не делал, т.к. писать этот обзор не планировал.
Т.к. этот сварочник более-менее приличный, решил его неспешно восстановить для себя 🙂

О подборе

При замене транзисторов, вовсе не обязательно ставить точно такие-же, как стояли с завода. Кроме того, зачастую родные транзисторы стоят не лучшего качества, ибо китайский производитель также пытается сэкономить иногда в ущерб надёжности работы. В интернете мало информации по принципам подбора аналогов, поэтому напишу из собственного опыта.
Основными критериями при подборе IGBT транзистора в сварочный инвертор являются:
1. Наличие встроенного диода. Обычно он необходим всегда, кроме схемы подключения «косой полумост», где его наличие непринципиально.
2. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер. В бытовых сварочниках на 220В почти всегда, за редким исключением, стоят транзисторы на 600-650 вольт. Туда можно ставить только транзисторы на 600 (650) вольт. Транзисторы на 900 и 1200 вольт ставить нельзя — они будут перегреваться за счёт повышенного падения напряжения, к тому-же и стоят они дороже.
3. Максимальный ток коллектора. Обычно используют транзисторы на 30А, 40А или 60А (при температуре 100°C). На ток при температуре 25гр внимание не обращаем ибо важен именно реальный рабочий режим.
4. Входная ёмкость затвора. Желательно, чтобы ёмкость была не более, чем у родных транзисторов, чтобы не перегружать драйвер и не затягивать фронты импульсов.
5. Время включения и особенно отключения. Должно быть не более, чем у родных, чтобы не греть транзисторы коммутационными потерями.
6. Напряжение насыщения. Должно быть не более, чем у родных транзисторов, чтобы не греть транзисторы омическими потерями.
7. Если транзисторы стоят на изоляционных прокладках, на максимальную мощность внимания можно вообще не обращать — всё равно термопрокладка не позволит передать радиатору более 50Вт рассеиваемой мощности. Если транзисторы установлены на отдельные изолированные радиаторы, на мощность уже следует смотреть, т.к. при этом из транзисторов выжимается максимум мощности (там их часто ставят в уменьшенном количестве 2 шт в полумост или 4шт в мост).
Для MOSFET критерии подбора немного другие, но общий принцип тот-же.
— Встроенный диод имеется всегда т.к. он автоматически получается в технологическом процессе производства
— Время включения и отключения не имеет большого значения, т.к. оно заведомо меньше требуемого (мосфеты весьма шустрые элементы)
— Вместо напряжения насыщения огромное значение имеет сопротивление открытого канала — чем оно меньше, тем будут меньше омическиие потери

О качестве

Под видом оригинальных, китайский продавец может прислать элементы сильно разного качества — неисправные, перемаркированные, либо восстановленные. На странице заказа фото товара можно не смотреть — показать могут и оригинал, а прислать не то.
Заказывая товар недорого у непроверенного продавца, Вам наверняка пришлют товар низкого качества, даже не сомневайтесь. Этот вариант для меня совершенно неприемлем, ибо нужны гарантированно качественные новые элементы.
Основные категории данного товара:
1. Неисправные — пустышки без кристалла, либо пробитые. Работать естественно не могут никак.
2. Восстановленные бывшие в употреблении — имеют кривые короткие либо кустарно наваренные выводы, которые ломаются при попытке их согнуть. Как правило, работают нормально, но у них есть неприятная особенность — их параметры довольно сильно гуляют у каждого экземпляра, что иногда неприемлемо.
3. Перемаркированные — берут транзистор меньшей мощности, спиливают или затирают маркировку и наносят новую для покупателя. Иногда уже при изготовлении берут кристалл от маломощного транзистора (для TO-220) и помещают его в корпус TO-3PN, TO-247. Такие элементы зачастую работают, но как правило недолго, иногда всего несколько секунд…
4. Оригинальные — тут всё понятно без комментариев 🙂

Почтовый пакет

Основные параметры из даташита:
Корпус TO-3PN
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер: 650В
Максимальный постоянный ток коллектора при 100°C: 40А
Максимальная рассеиваемая мощность при 100°C: 174Вт
Номинальное напряжение насыщения коллектор-эмиттер: 1,9В
Номинальная входная ёмкость затвора при напряжении коллектор-эмиттер 30В: 1880пФ
Номинальное время включения / отключения: 12нс / 92нс
Транзисторы имеют встроенный обратный силовой диод, необходимый для работы в мостовом включении инвертора.
Остальные параметры большого значения не имеют.

В оригинальности транзисторов я нисколько не сомневаюсь, т.к. по опыту интуитивно их определяю.
Но для обзора сделал несколько измерений.
Ничего магнитного внутри естественно нет.
Толщина выводов и корпуса соответствуют норме

Остальные размеры также в норме

Напряжение насыщения коллектор — эмиттер при токе 10А и напряжении на затворе 10В составило 1,36В — норма

Транзисторы в партии имеют очень небольшую разницу емкостей затвор — эмиттер 2726 — 2731пФ (измерено E7-22 при не подключенном выводе коллектора). Стабильность — это косвенный показатель качества.

Небольшое замечание — некоторые пытаются определять оригинальность транзистора по ёмкости затвора. Да, это в какой-то степени возможно, но только если измерять правильно и при этом правильно анализировать результаты.
Так вот, измерять ёмкость затвора надо именно на переменном токе при конкретном напряжении коллектор-эмиттер, причём нулевое напряжение не означает висящий в воздухе коллектор.

Измеренная ёмкость затвор-эмиттер сильно зависит от измерительного прибора, что не удивительно для нелинейного элемента.
Например, один и тот-же транзистор показывает входную ёмкость 2726пФ на положительной полярности и 3381пФ на отрицательной полярности прибором UT71E, 2660пФ и 2750пФ в зависимости от полярности тестером элементов MG328 VanVell ELC, 2860 пФ в обе стороны прибором E7-22

Ёмкость затвор — эмиттер при разном напряжении эмиттер-коллектор
Измерял E7-22 на 1кГц
0В — 3920пФ
1В — 3130пФ
2В — 2750пф
3В — 2570пФ
5В — 2380пФ
10В — 2200пФ
20В — 2000пФ
30В — 1830пФ

Для сравнения, измерил ёмкость затвор-эмиттер некоторых других оригинальных IGBT.
FGh50N60SMD — 2860пФ
FGH60N60SMD — 4410пФ
HGTG40N60A4 — 2270пФ

Взвешивать, поджигать, грызть и ломать транзисторы я не стал ибо в данном случае это не имеет никакого практического смысла.
Если интересно, что внутри сгоревших транзисторов, то вот два из них HGTG30N60A4 (слева и в центре) и FGh50N60SFD (родной)

HGTG30N60A4 вообще без диода и в принципе не мог нормально работать в этой сварке 🙁

Немного о ремонте

Вывод: при желании, в Китае вполне возможно купить качественные оригинальные комплектующие. Покупайте в проверенных магазинах и Вам не придётся изучать, чем подделка отличается от оригинала. Магазин могу смело рекомендовать, теперь с них должок за рекламу 🙂
p.s. сварочные провода из этого обзора я делал для этого сварочника.
p.p.s. судя по комментариям, когда я товар ругаю, нахожу поддержку аудитории, но когда нормальный товар начинаю хвалить — сразу идут необоснованные обвинения во всех грехах. Это похоже местная традиция…

Что такое IGBT — работа, работа, приложения и различные типы IGBT

Самыми популярными и часто используемыми силовыми электронными переключателями являются биполярный транзистор BJT и полевой МОП-транзистор. Мы уже подробно обсудили работу BJT и MOSFET, а также то, как они используются в схемах. Но оба этих компонента имели некоторые ограничения для использования в приложениях с очень высоким током. Итак, мы переместили еще одно популярное силовое электронное коммутационное устройство, называемое IGBT.Вы можете думать о IGBT как о слиянии BJT и MOSFET, эти компоненты имеют входные характеристики BJT и выходные характеристики MOSFET. В этой статье мы познакомимся с основами IGBT , с тем, как они работают и как использовать их в схемах.

Что такое IGBT?

IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором . Это трехконтактное полупроводниковое переключающее устройство, которое можно использовать для быстрого переключения с высокой эффективностью во многих типах электронных устройств.Эти устройства в основном используются в усилителях для переключения / обработки сложных волновых паттернов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Типичный символ IGBT вместе с его изображением показан ниже.

Как упоминалось ранее, IGBT представляет собой смесь BJT и MOSFET. Символ IGBT также представляет собой то же самое, поскольку вы можете видеть, что сторона входа представляет собой полевой МОП-транзистор с выводом затвора, а сторона вывода представляет собой BJT с коллектором и эмиттером.Коллектор и Эмиттер являются выводами проводимости, а затвор — это контрольный вывод , с помощью которого управляется операция переключения.

IGBT может быть сконструирован с эквивалентной схемой, состоящей из двух транзисторов и MOSFET, поскольку IGBT обладает выходом указанной ниже комбинации транзистора PNP, транзистора NPN и MOSFET. IGBT сочетает в себе низкое напряжение насыщения транзистора с высоким входным сопротивлением и скоростью переключения полевого МОП-транзистора.Результат, полученный в результате этой комбинации, обеспечивает характеристики переключения и проводимости биполярного транзистора, но напряжение регулируется как полевой МОП-транзистор.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и BJT, они также называются разными именами. различных имен IGBT — это транзистор с изолированным затвором (IGT), транзистор с изолированным затвором и оксидом металла (MOSIGT), полевой транзистор с модулированным усилением (GEMFET), полевой транзистор с кондуктивной модуляцией (COMFET).

Работа IGBT

IGBT имеет три вывода, прикрепленных к трем различным металлическим слоям, металлический слой вывода затвора изолирован от полупроводников слоем диоксида кремния (SIO2). БТИЗ состоит из 4 слоев полупроводника, соединенных между собой. Слой ближе к коллектору — это слой подложки p + , выше, это слой n- , еще один p-слой находится ближе к эмиттеру, а внутри p-слоя у нас есть n + слоев .Соединение между слоем p + и n-слоем называется переходом J2, а соединение между n-слоем и p-слоем называется переходом J1. Структура IGBT показана на рисунке ниже.

Чтобы понять, как работает IGBT , рассмотрим источник напряжения V _G , подключенный к клемме затвора по отношению к эмиттеру. Рассмотрим другой источник напряжения V _CC , подключенный между эмиттером и коллектором, где коллектор остается положительным по отношению к эмиттеру.Из-за источника напряжения V _CC переход J1 будет смещен в прямом направлении, тогда как переход J2 будет смещен в обратном направлении. Поскольку J2 имеет обратное смещение, ток не будет протекать внутри IGBT (от коллектора к эмиттеру).

Сначала учтите, что на клемму Gate не подается напряжение, на этом этапе IGBT будет в непроводящем состоянии. Теперь, если мы увеличим приложенное напряжение затвора, из-за эффекта емкости на слое SiO2 отрицательные ионы будут накапливаться на верхней стороне слоя, а положительные ионы будут накапливаться на нижней стороне слоя SiO2.Это вызовет введение отрицательно заряженных носителей в p-область, чем выше приложенное напряжение V _G , тем больше будет вставка отрицательно заряженных носителей. Это приведет к образованию канала между переходом J2, который позволяет протеканию тока от коллектора к эмиттеру . Прохождение тока представлено как путь тока на рисунке, когда прикладываемое напряжение затвора V _G увеличивается, величина тока, протекающего от коллектора к эмиттеру, также увеличивается.

IGBT классифицируется как два типа на основе буферного слоя n +, IGBT, которые имеют буферный слой n +, называются Punch through IGBT (PT-IGBT) , IGBT, которые не имеют буферного слоя n +, называются без пробивки на сквозной IGBT (NPT-IGBT).

Исходя из своих характеристик, NPT-IGBT и PT-IGBT называются симметричными и несимметричными IGBT. Симметричные IGBT — это те, которые имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя.Асимметричные IGBT — это те, у которых напряжение обратного пробоя меньше, чем напряжение прямого пробоя. Симметричные IGBT в основном используются в цепях переменного тока, тогда как асимметричные IGBT в основном используются в цепях постоянного тока, поскольку им не нужно поддерживать напряжение в обратном направлении.

Разница между пробивкой через IGBT (PT-IGBT) и без пробивки через IGBT (NPT-IGBT)

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию BJT и MOSFET, давайте рассмотрим их работу в виде принципиальной схемы. На приведенной ниже диаграмме показана внутренняя схема IGBT , которая включает два BJT, один MOSFET и JFET. Контакты затвора, коллектора и эмиттера IGBT отмечены ниже.

Коллектор транзистора PNP соединен с транзистором NPN через JFET, JFET соединяет коллектор транзистора PNP и базу транзистора PNP.Эти транзисторы скомпонованы таким образом, чтобы образовать паразитный тиристор, созданный для создания контура отрицательной обратной связи . Резистор RB помещается так, чтобы закоротить выводы базы и эмиттера NPN-транзистора, чтобы гарантировать, что тиристор не защелкивается, что приводит к защелкиванию IGBT. Используемый здесь JFET будет обозначать структуру тока между любыми двумя ячейками IGBT, позволяет использовать MOSFET и поддерживает большую часть напряжения.

Характеристики переключения IGBT

IGBT — это устройство , управляемое напряжением, , поэтому ему требуется только небольшое напряжение на затвор, чтобы оставаться в состоянии проводимости.А поскольку это однонаправленные устройства, они могут переключать ток только в прямом направлении, то есть от коллектора к эмиттеру. Типичная схема переключения IGBT показана ниже, напряжение затвора V _G прикладывается к выводу затвора для переключения двигателя (M) от напряжения питания V +. Резистор Rs примерно используется для ограничения тока через двигатель.

Входные характеристики IGBT можно понять из приведенного ниже графика. Первоначально, когда на вывод затвора не подается напряжение, IGBT находится в выключенном состоянии, и ток не течет через вывод коллектора.Когда напряжение, приложенное к выводу затвора, превышает пороговое напряжение , IGBT начинает проводить, и ток коллектора I _G начинает течь между выводами коллектора и эмиттера. Коллекторный ток увеличивается относительно напряжения затвора, как показано на графике ниже.

Выходные характеристики IGBT имеют три ступени. Первоначально, когда напряжение затвора V _GE равно нулю, устройство находится в выключенном состоянии, это называется областью отсечки .Когда V _GE увеличивается и если оно меньше порогового напряжения , то через устройство будет протекать небольшой ток утечки, но устройство все равно будет находиться в области отсечки. Когда напряжение V _GE превышает пороговое значение, устройство переходит в активную область , и ток начинает течь через устройство. Протекание тока будет увеличиваться с увеличением напряжения V _GE , как показано на графике выше.

используются в различных приложениях, таких как приводы двигателей переменного и постоянного тока, нерегулируемые источники питания (ИБП), импульсные источники питания (SMPS), управление тяговыми двигателями и индукционный нагрев, инверторы, используемые для объединения полевых транзисторов с изолированным затвором для управления вход и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве и т. д.

GBT доступны в разных типах пакетов с разными названиями от разных компаний.Например, Infineon Technologies предлагает пакеты для сквозного монтажа и для поверхностного монтажа. Пакет сквозного типа включает TO-262, TO-251, TO-273, TO-274, TO-220, TO-220-3 FP, TO-247, TO-247AD. В комплект для поверхностного монтажа входят ТО-263, ТО-252.

— обзор

5.1 Введение

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который был представлен в начале 1980-х годов, становится успешным устройством благодаря своим превосходным характеристикам.IGBT — это трехконтактный силовой полупроводниковый переключатель, используемый для управления электрической энергией. Многие новые приложения были бы экономически неосуществимы без IGBT. До появления IGBT, силовые транзисторы с биполярным переходом (BJT) и силовые металлооксидные полевые транзисторы (MOSFET) широко использовались в приложениях низкой и средней мощности и высокочастотных приложениях, где скорость отключаемых тиристоров затвора была недостаточной. . Power BJT имеют хорошие характеристики во включенном состоянии, но имеют длительное время переключения, особенно при выключении.Это устройства с управлением по току с небольшим коэффициентом усиления по току из-за высокого уровня инжекции и большой ширины базы, необходимой для предотвращения сквозного пробоя для возможности высокого напряжения блокировки. Следовательно, они требуют сложных базовых схем возбуждения для обеспечения базового тока во включенном состоянии, что увеличивает потери мощности в управляющем электроде.

С другой стороны, силовые полевые МОП-транзисторы — это устройства, управляемые напряжением, которые требуют очень небольшого тока во время периода переключения и, следовательно, имеют простые требования к управлению затвором.Силовые полевые МОП-транзисторы — это устройства большинства несущих, которые демонстрируют очень высокие скорости переключения. Но униполярный характер силовых полевых МОП-транзисторов приводит к ухудшению характеристик проводимости при повышении номинального напряжения выше 200 В. Следовательно, их сопротивление в открытом состоянии увеличивается с увеличением напряжения пробоя. Кроме того, по мере увеличения номинального напряжения внутренний диод демонстрирует худшие характеристики обратного восстановления, что приводит к более высоким коммутационным потерям.

Чтобы улучшить характеристики силового устройства, выгодно иметь низкое сопротивление в открытом состоянии силовых BJT с изолированным входом затвора, как у силового MOSFET.Конфигурация Дарлингтона двух устройств, показанных на рис. 5.1, имеет лучшие характеристики по сравнению с двумя дискретными устройствами. Это гибридное устройство может быть стробировано как силовой полевой МОП-транзистор с низким сопротивлением в открытом состоянии, поскольку большая часть выходного тока обрабатывается BJT. Из-за низкого коэффициента усиления по току BJT в качестве драйвера требуется полевой МОП-транзистор такого же размера. Более эффективный подход для получения максимальных преимуществ управления затвором МОП и биполярной проводимости тока заключается в интеграции физики МОП-транзистора и биполярного транзистора в одной полупроводниковой области.Эта концепция привела к появлению коммерчески доступных IGBT с превосходными характеристиками в открытом состоянии, хорошей скоростью переключения и отличной безопасной рабочей зоной. По сравнению с силовыми полевыми МОП-транзисторами отсутствие встроенного диода в корпусе можно рассматривать как преимущество или недостаток в зависимости от скорости переключения и требований по току. Внешний диод быстрого восстановления или диод в том же корпусе могут использоваться для определенных приложений. БТИЗ заменяют полевые МОП-транзисторы в высоковольтных приложениях с более низкими потерями проводимости.Они имеют напряжение и плотность тока в открытом состоянии, сравнимые с силовым BJT с более высокой частотой переключения. Хотя они и демонстрируют быстрое включение, их выключение происходит медленнее, чем у полевых МОП-транзисторов, из-за текущего времени спада. БТИЗ имеют значительно меньшую площадь кремния, чем полевые МОП-транзисторы с аналогичной номинальной мощностью. Таким образом, замена силовых MOSFET на IGBT повышает эффективность и снижает стоимость. IGBT также известен как полевой транзистор с модуляцией проводимости (COMFET), транзистор с изолированным затвором (IGT) и биполярный полевой МОП-транзистор.

РИСУНОК 5.1. Гибридная конфигурация Дарлингтона MOSFET и BJT.

Поскольку топологии с мягкой коммутацией имеют множество преимуществ по сравнению с топологиями с жесткой коммутацией, их использование в отрасли растет. Благодаря использованию методов мягкой коммутации IGBT могут работать на частотах до сотен килогерц. В условиях мягкого переключения IGBT ведут себя иначе, чем в условиях жесткого переключения. Следовательно, компромиссы устройств, задействованные в схемах мягкого переключения, отличаются от тех, которые используются в случае жесткого переключения.Применение IGBT в преобразователях большой мощности подвергает их высоким переходным электрическим нагрузкам, таким как короткое замыкание и отключение при ограниченной индуктивной нагрузке, и поэтому надежность IGBT в условиях нагрузки является важным требованием. Традиционно взаимодействие между производителями устройств и разработчиками силовых электронных схем было ограниченным. Поэтому недостатки в надежности устройств наблюдаются только после их использования в реальных схемах. Это существенно замедляет процесс оптимизации системы силовой электроники.Время разработки можно значительно сократить, если на этапе проектирования учесть все вопросы производительности и надежности устройства. Поскольку в схемных приложениях довольно часто встречаются условия высокой нагрузки, чрезвычайно экономично и уместно моделировать характеристики IGBT в этих условиях. Однако разработка модели может продолжаться только после правильного понимания физики работы устройства в напряженных условиях, создаваемых схемой. Физическое моделирование процессов и устройств — это быстрый и дешевый способ оптимизации IGBT.Появление имитаторов схем со смешанным режимом, в которых динамика полупроводниковых носителей оптимизирована в рамках ограничений переключения уровня схемы, является ключевым инструментом проектирования для этой задачи.

— основы, характеристики, схема переключения и приложения

IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором , комбинация биполярного переходного транзистора (BJT) и Металлооксидный полевой транзистор (MOS-FET) . Это полупроводниковое устройство, используемое для переключения связанных приложений.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию полевого МОП-транзистора и транзистора , он имеет преимущества обоих транзисторов и полевого МОП-транзистора. MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а с другой стороны, BJT имеет преимущество в высоком усилении и низком напряжении насыщения, оба присутствуют в транзисторе IGBT. IGBT — это полупроводник с регулируемым напряжением , который обеспечивает большие токи коллектора-эмиттера с почти нулевым током затвора.

Как уже говорилось, IGBT имеет преимущества как MOSFET, так и BJT, IGBT имеет такой же изолированный затвор, как и типичные MOSFET, и такие же выходные характеристики передачи.Хотя BJT — это устройство с управлением по току, но для IGBT управление зависит от MOSFET, поэтому это устройство с управлением напряжением, эквивалентное стандартным MOSFET.

Схема эквивалента

На изображении выше показана эквивалентная схема IGBT. Такая же структура схемы используется в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены одинаковым образом. Как мы можем видеть на изображении выше, IGBT объединяет два устройства, N-канальный MOSFET и PNP-транзистор .N-канальный MOSFET управляет PNP-транзистором. Выводы стандартного BJT включают коллектор, эмиттер, базу, а стандартный вывод MOSFET включает затвор, сток и исток. Но в случае контактов IGBT транзистора , это Gate , который поступает от N-канального MOSFET, а Collector и Emitter исходят от PNP-транзистора.

В транзисторе PNP коллектор и эмиттер являются проводящими путями, а когда IGBT включен, они проводят ток через него.Этот путь контролируется N-канальным MOSFET.

В случае BJT, , мы вычисляем коэффициент усиления, который обозначается как Beta ( ), путем деления выходного тока на входной.

  β = выходной ток / входной ток  

Но, как мы знаем, полевой МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор полевого МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета коэффициента усиления BJT, не применима для технологии MOSFET.Затвор полевого МОП-транзистора изолирован от пути прохождения тока. Напряжение затвора полевого МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой отношение изменений выходного напряжения к изменениям входного напряжения. Это верно для IGBT. Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменений выходного тока к изменениям входного напряжения затвора .

Из-за возможности высокого тока большой ток BJT контролируется напряжением затвора MOSFET.

На изображении выше показан символ IGBT .Как мы видим, символ включает в себя коллектор-эмиттерную часть транзистора и затворную часть полевого МОП-транзистора. Эти три терминала показаны как Gate, Collector и Emitter.

В проводящем или включенном режиме « ON » ток течет от коллектора к эмиттеру . То же самое происходит с транзистором BJT. Но в случае с IGBT вместо базы стоит Gate. Разница между напряжением затвора и эмиттера называется Vge , а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .

Ток эмиттера (Ie) почти такой же, как ток коллектора (Ic) , Ie = Ic . Поскольку ток в коллекторе и эмиттере относительно одинаков, у Vce очень низкий ток.

Узнайте больше о BJT и MOSFET здесь.

  I  RL2  = V  IN  / R  S   

Трубчатый или магазинный метод используется для подачи биполярных транзисторов с изолированным затвором в автоматические установочные машины для сквозного или поверхностного монтажа.

Стандарты

IEC 60747-9 — Полупроводниковые приборы — дискретные устройства — Часть 9: биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBTS)

SAE PAPER 2001-01-1220 — Интеллектуальный IGBT для усовершенствованных систем зажигания

Список литературы

Кредиты изображений:

Fuji Electric Corp.Америки | Все о схемах | Renesas

IGBT: часто задаваемые вопросы (FAQ)

Компании начинают осознавать потенциал новых рынков и возможности получения дохода в последующем, поскольку они исследуют более комплексную модель «от кремния к услугам», которая охватывает центр обработки данных и мобильную периферию. В частности, с сокращением ASP (средние цены продажи) и все более непомерно высокими затратами на проектирование на все более низких узлах многие компании ищут новые потоки доходов в широком диапазоне вертикалей, включая Интернет вещей (IoT).

Однако с учетом того, что количество установок Интернета вещей, как ожидается, будет увеличиваться примерно на 15–20% ежегодно до 2020 года, безопасность в настоящее время воспринимается как серьезная возможность, так и серьезная проблема для полупроводниковой промышленности.

Помимо услуг, концепция оборудования с открытым исходным кодом (OSH) и создание микросхем из разукрупненных, предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты по мере того, как компании сокращают расходы и сокращают время вывода на рынок гетерогенных конструкций.

Конкретные стратегии для раскрытия всего потенциала кремния и услуг, несомненно, будут различаться, поэтому для нас важно исследовать будущее, в котором полупроводниковые компании, а также различные отрасли, организации и правительственные учреждения будут играть открытую и совместную роль в помогая устойчиво монетизировать как микросхемы, так и услуги.

В 2016 и 2017 годах продолжались быстрые приобретения и консолидация отрасли:

• Компания Analog Devices приобрела Linear Technology
• Infineon приобрела International Rectifier
• Компания ROHM приобрела Powervation
.
• Renesas приобрела Intersil

Крупные производители полупроводников позиционируют себя, чтобы лучше конкурировать в нескольких вертикалях, включая облачные вычисления, искусственный интеллект (AI) и беспилотные автомобили.Согласно KPMG, многие компании все чаще рассматривают слияния и поглощения (M&A) как единственный способ стимулировать рост реальной выручки, делая новый акцент на вопросе «производить или покупать», при этом многие выбирают ответ «покупать».

В то же время расходы на разработку микросхем продолжали расти и существенно влияли на количество разработок в усовершенствованных узлах. В частности, общее количество запусков SoC с расширенной производительностью многоядерных процессоров в первый раз практически не изменилось и выросло лишь незначительно за последние пять лет.Хотя цены на дизайн неуклонно растут с 40 нм, аналитиков больше всего беспокоит увеличение стоимости дизайна на 7 и 5 нм.

Как подтверждает Рич Вавжиняк, старший аналитик Semico Research, начало проектирования за пределами 10 нм будет сдерживаться ростом затрат на разработку. Хотя общее количество проектов, которые переносятся на новые узлы, может не сильно отличаться от предыдущих обновлений геометрии процесса, Вавжиняк говорит, что сроки для таких переходов большинством компаний будут более продолжительными.

Совершенно очевидно, что необходимы новые модели как для НИОКР, так и для доходов, поскольку усиление консолидации отрасли и ослабление АСП в долгосрочной перспективе невозможно. Именно поэтому отрасль стремится к Интернету вещей, чтобы создать дополнительные потоки доходов, и аналитики McKinsey Global Institute (MGI) оценивают, что IoT может иметь ежегодный экономический эффект от 3,9 до 11,1 триллиона долларов к 2025 году по нескольким вертикалям. Однако с учетом того, что количество установок Интернета вещей, как ожидается, будет увеличиваться примерно на 15–20% ежегодно до 2020 года, безопасность считается как серьезной возможностью, так и проблемой для полупроводниковых компаний.

Таким образом, MGI рекомендует создавать решения безопасности, которые позволяют компаниям, производящим полупроводники, расширяться в смежные области бизнеса и разрабатывать новые бизнес-модели. Например, компании могут помочь создать предложения по обеспечению сквозной безопасности, которые необходимы для успеха Интернета вещей. В идеале, заявляет MGI, отрасль должна играть ведущую роль при разработке таких предложений, чтобы гарантировать, что они получат свою справедливую долю в цепочке создания стоимости.

С нашей точки зрения, решения для сквозной безопасности Интернета вещей, развернутые как платформа как услуга (PaaS), имеют решающее значение для оказания помощи полупроводниковым компаниям в получении возобновляемых доходов от реализации конкретных услуг.Для клиентов PaaS предлагает простой способ безопасной разработки, запуска и управления приложениями и устройствами без сложностей, связанных с построением и обслуживанием сложной инфраструктуры.

Такие решения безопасности, которые также могут использовать аппаратный корень доверия, должны поддерживать идентификацию устройства и взаимную аутентификацию (верификацию), регулярные проверки аттестации, безопасные обновления устройств по беспроводной сети (OTA), аварийное восстановление и ключ управление, а также вывод из эксплуатации и переназначение ключей для лучшего управления устройствами и смягчения различных атак, включая распределенный отказ в обслуживании (DDoS).

Умные города

Недоступные микросхемы — такие как микросхемы, встроенные в инфраструктуру интеллектуального города Интернета вещей — могут предложить полупроводниковым компаниям возможность реализовать долгосрочную модель PaaS «кремний для обслуживания». Действительно, инфраструктура будущего умного города почти наверняка будет спроектирована с использованием микросхем в труднодоступных местах, включая подземные водопроводные трубы, воздуховоды для кондиционирования воздуха, а также под улицами и на парковках.

Интеллектуальное уличное освещение, отзывчивые вывески и маячки Bluetooth нового поколения также требуют перспективных решений, чтобы избежать постоянного физического обслуживания и обновлений.Следовательно, микросхема, обеспечивающая питание инфраструктуры умного города, должна поддерживать безопасную конфигурацию функций в полевых условиях, а также различные услуги на основе PaaS, такие как расширенная аналитика, предупреждения о профилактическом обслуживании, алгоритмы самообучения и интеллектуальное проактивное взаимодействие с клиентами.

Умные дома

Прогнозируется, что к 2020 году глобальный рынок умного дома достигнет стоимости не менее 40 миллиардов долларов. По данным Markets and Markets, рост пространства умного дома можно объяснить множеством факторов, в том числе значительными достижениями в секторе Интернета вещей; возрастающие требования к удобству, безопасности и защищенности потребителей; более выраженная потребность в энергосберегающих решениях с низким уровнем выбросов углерода.Однако, как мы уже обсуждали ранее, крайне важно обеспечить реализацию безопасности Интернета вещей на этапе проектирования продукта, чтобы предотвратить использование злоумышленниками устройств умного дома и прерывание обслуживания.

В дополнение к потенциально прибыльным возможностям кибербезопасности для полупроводниковых компаний, устройства умного дома обещают создать повторяющиеся потоки доходов для поддержки устойчивой модели «кремний для обслуживания». В качестве примера Кристопер Дин из MarketingInsider выделяет популярные устройства Echo от Amazon.Поскольку уже продано не менее 15 миллионов Echo, пользователи Echo, скорее всего, станут активными потребителями Amazon, используя устройство для отслеживания списков желаний и поиска товаров, которые им впоследствии предлагается купить. Между тем, Nest использует данные термостата в качестве платформы для предложения услуг по управлению энергопотреблением коммунальным компаниям в Соединенных Штатах, причем компании платят за значимую и действенную информацию о клиентах по подписке.

Автомобильная промышленность

По данным IC Insights, в период с 2016 по 2021 год продажи микросхем для автомобильных систем и Интернета вещей будут расти на 70% быстрее, чем общие доходы от IC.В частности, продажи интегральных схем для автомобилей и других транспортных средств, по прогнозам, вырастут с 22,9 млрд долларов в 2016 году до 42,9 млрд долларов в 2021 году, а доходы от функциональности Интернета вещей увеличатся с 18,4 млрд долларов в 2016 году до 34,2 млрд долларов в 2021 году.

Прогнозируемый рост продаж автомобильных микросхем неудивителен, поскольку современные автомобили по сути представляют собой сеть сетей, оснащенных рядом встроенных методов и возможностей связи. Однако это означает, что автомобили теперь более уязвимы для кибератак, чем когда-либо прежде.

Потенциальные уязвимости системы безопасности включают незащищенную связь между транспортными средствами, несанкционированный сбор информации о водителе или пассажирах, захват контроля над критически важными системами, такими как тормоза или акселераторы, перехват данных транспортного средства, вмешательство в работу сторонних ключей и изменение избыточного кода. обновления прошивки по воздуху (OTA). Что касается последнего, производители автомобилей сейчас сосредоточены на предоставлении безопасных обновлений OTA для различных систем, при этом глобальный рынок автомобильных обновлений OTA, по прогнозам, будет расти со среднегодовым темпом роста 18.2% с 2017 по 2022 год и достигнет 3,89 миллиарда долларов к 2022 году.

Производители автомобилей также работают над тем, чтобы в цепочке поставок транспортных средств не было украденных и контрафактных компонентов. Тем не менее, широкий спектр устройств с серого рынка все еще можно найти для питания дорогостоящих модулей, таких как бортовые информационно-развлекательные системы и фары, а также в критических системах безопасности, включая модули подушек безопасности, тормозные модули и органы управления трансмиссией. Таким образом, защита периферийных устройств и компонентов транспортных средств от несанкционированного доступа путем внедрения ряда многоуровневых аппаратных и программных решений безопасности стала приоритетной задачей для ряда производителей автомобилей.

Помимо внедрения многоуровневых решений безопасности, полупроводниковая промышленность явно выиграет от принятия подхода IoT «как услуга» к автомобильному сектору. Например, компании могут развернуть сенсорные автомобильные системы, которые заблаговременно обнаруживают потенциальные проблемы и неисправности. Это решение, которое в наиболее оптимальной конфигурации сочетает в себе микросхемы и услуги, может быть продано как аппаратный и программный продукт или развернуто как услуга с ежемесячной или ежегодной абонентской платой.

Медицина и здравоохранение

Имплантированные медицинские устройства с длительным сроком службы, несомненно, потребуют от полупроводниковой промышленности высокой степени готовности к будущему, чтобы избежать частых физических обновлений и технического обслуживания. Шрихари Яманур, специалист по дизайну в области исследований и разработок в Stellartech Research Corp., отмечает, что медицинские устройства в конечном итоге будут адаптированы для удовлетворения потребностей отдельных пациентов, что приведет к расширению применения точной медицины.

Кроме того, ожидается, что отрасль медицинского страхования будет использовать машинное обучение для оптимизации и снижения стоимости медицинского обслуживания, в то время как цифровые медицинские устройства также будут использоваться страховой отраслью для выявления пациентов из группы риска и оказания помощи.Поэтому медицинские устройства, особенно имплантируемые модели, должны быть спроектированы таким образом, чтобы поддерживать «модель перехода от кремния к услугам» через конфигурацию функций на месте и безопасные обновления OTA, а также услуги на основе PaaS, включая сбор и анализ соответствующих данных; проактивное обслуживание, продвинутые алгоритмы; и интуитивно понятный интерфейс как для пациентов, так и для врачей.

Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом и дезагрегированные чиплеты

Наряду с услугами, оборудование с открытым исходным кодом, предлагаемое такими организациями и компаниями, как RISC-V и SiFive, начало положительно влиять на индустрию полупроводников, поощряя инновации, сокращая затраты на разработку и ускоряя время вывода продукта на рынок.

Успех программного обеспечения с открытым исходным кодом — в отличие от закрытого, огороженного сада — продолжает создавать важный прецедент для полупроводниковой промышленности. Столкнувшись с непомерно высокими затратами на разработку, ряд компаний предпочитают избегать ненужных сборщиков дорожных сборов, уделяя больше внимания архитектуре с открытым исходным кодом, поскольку они работают над созданием новых потоков доходов, ориентированных на услуги.

Помимо аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом, концепция построения кремния из предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты, поскольку полупроводниковая промышленность движется к снижению затрат и сокращению времени вывода на рынок гетерогенных конструкций.По словам Энн Стефора Мутшлер из Semiconductor Engineering, концепция чиплета некоторое время находилась в стадии разработки, хотя исторически она воспринималась как потенциальное направление будущего, а не реальное решение в тени убывающего закона Мура. Это восприятие начинает меняться по мере увеличения сложности конструкции, особенно в усовершенствованных узлах (10/7 нм), а также по мере объединения новых рынков, требующих частично настраиваемых решений.

Концепция предварительно проверенных чиплетов вызвала интерес U.Агентство перспективных исследовательских проектов S. Defense (DARPA), которое недавно развернуло свою программу общей гетерогенной интеграции и стратегий повторного использования IP (CHIPS). В сотрудничестве с полупроводниковой промышленностью успешная реализация CHIPS позволила бы увидеть ряд IP-блоков, подсистем и микросхем, объединенных на переходнике в корпусе, подобном 2.5D.

Инициатива CHIPS заняла центральное место в августе 2017 года, когда участники из военного, коммерческого и академического секторов собрались в штаб-квартире DARPA на официальном стартовом совещании по программе Агентства по стратегии общей гетерогенной интеграции и повторного использования интеллектуальной собственности (ИС).

Как сообщил на конференции д-р Дэниел Грин из DARPA, программа направлена ​​на разработку новой технологической структуры, в которой различные функции и блоки интеллектуальной собственности, в том числе хранение данных, вычисления, обработка сигналов, а также управление формой и потоком данных — можно разделить на небольшие чиплеты. Затем их можно смешивать, сопоставлять и комбинировать на промежуточном элементе, что-то вроде соединения частей головоломки. Фактически, говорит Грин, всю обычную печатную плату с множеством различных, но полноразмерных микросхем в конечном итоге можно было бы сжать до гораздо меньшего промежуточного устройства, на котором размещена куча гораздо меньших микросхем.

Согласно DARPA, конкретные технологии, которые могут появиться в результате инициативы CHIPS, включают компактную замену целых печатных плат, сверхширокополосные радиочастотные (РЧ) системы и системы быстрого обучения для извлечения интересной и действенной информации из гораздо больших объемов обычных данных. .

Возможно, неудивительно, что полупроводниковая промышленность уже рассматривает дезагрегированный подход в виде микросхем SerDes и специализированных маломощных интерфейсов «кристалл-кристалл» для конкретных приложений.Безусловно, жизнеспособное разделение кремниевых компонентов может быть достигнуто путем перемещения высокоскоростных интерфейсов, таких как SerDes, на отдельные кристаллы в виде микросхем SerDes, смещения IP аналогового датчика на отдельные аналоговые микросхемы и реализации перехода кристалла с очень низким энергопотреблением и малой задержкой. die интерфейсы через MCM или через переходник с использованием технологии 2.5D.

Помимо использования заведомо исправной матрицы для SerDes в более зрелых узлах (N-1) или наоборот, ожидается, что дезагрегация упростит создание нескольких SKU при оптимизации затрат и снижении риска.Точнее, дезагрегирование приведет к разбивке SoC на более высокопроизводительные и меньшие матрицы и позволит компаниям создавать определенные конструкции с несколькими вариантами. Действительно, интерфейсы «от кристалла к кристаллу» могут легче адаптироваться к различным приложениям, использующим память, логику и аналоговые технологии. Кроме того, для интерфейсов «от кристалла к кристаллу» не требуется согласованной скорости линии / передачи и количества дорожек, в то время как FEC может потребоваться, а может и не потребоваться в зависимости от требований к задержке.

Следует отметить, что несколько компаний активно занимаются агрегацией SoC / ASIC для коммутаторов и других систем.Точно так же полупроводниковая промышленность разрабатывает ASIC с интерфейсами «кристалл-кристалл» на ведущих узлах FinFET, в то время как по крайней мере один серверный чип следующего поколения разрабатывается с дезагрегированным вводом-выводом на отдельном кристалле.

Заключение

За последние пять лет полупроводниковая промышленность столкнулась с множеством сложных проблем. К ним относятся увеличение затрат на разработку, размытие ASP, насыщение рынка и повышенная, но неустойчивая деятельность по слияниям и поглощениям. В течение 2018 года полупроводниковая промышленность продолжает стремиться к возвращению к стабильности и органическому росту в рамках параметров новой бизнес-парадигмы, одновременно жизнеспособной и основанной на сотрудничестве.В этом контексте компании, производящие полупроводники, осознают потенциал новых рынков и возможности получения дохода в дальнейшем, поскольку они исследуют более комплексную модель «кремний для обслуживания», которая охватывает центр обработки данных и мобильную периферию.

Сюда входят решения для сквозной безопасности IoT и услуги на основе PaaS, такие как конфигурация функций на месте, расширенная аналитика, предупреждения о профилактическом обслуживании, алгоритмы самообучения и интеллектуальное проактивное взаимодействие с клиентами. Помимо услуг, концепция оборудования с открытым исходным кодом и создание микросхем из разукрупненных, предварительно проверенных микросхем начинает набирать обороты, поскольку компании переходят к сокращению затрат и сокращению времени вывода на рынок гетерогенных конструкций.

Конкретные стратегии раскрытия всего потенциала полупроводников, несомненно, будут различаться, поэтому для нас важно изучить будущее, в котором отрасль, наряду с различными исследовательскими организациями и государственными учреждениями, будет играть открытую и совместную роль, помогая устойчивой монетизации и кремний, и сервисы.

Для получения дополнительной информации по этой теме посетите сайт Rambus.

Шрикант Лохокаре, доктор философии, является вице-президентом и исполнительным директором Global Semiconductor Alliance в Северной Америке.

Что такое транзистор IGBT? — Основы, определение и структура

Транзисторный IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) — это, по сути, устройство силовой электроники, управляемое напряжением, заменяющее обычные силовые BJT ( Bipolar Junction Transistors ) и MOSFET в качестве коммутационных устройств. БТИЗ специально разработаны для удовлетворения требований к высокой мощности. Хотя доступны биполярные транзисторы большой мощности, они имеют низкую скорость переключения.С другой стороны, также доступны полевые МОП-транзисторы высокой мощности, которые имеют более высокую скорость переключения, но не могут удовлетворить такие высокие требования к мощности.

Рис. 1. Символ IGBT

На самом деле транзисторный IGBT представляет собой гибридное устройство, состоящее из полевого транзистора, управляющего pnp BJT, и имеет три входных контакта. Выход из полевого транзистора подается на базу BJT. Это каскадирование приводит к трехполюсному устройству, которое сочетает в себе огромные токонесущие способности биполярного транзистора и высокую коммутационную способность устройства на полевых транзисторах. Эти три вывода устройства называются коллектором , эмиттером и затвором . Gate — это входная клемма, а от эмиттера к коллектору — токопроводящий путь.

Рис. 2. Эквивалентная схема внутренней конструкции IGBT-транзистора

Рис. 3. Упрощенная схема транзистора IGBT (MOSFET + BJT)

Доступны два типа транзиторных IGBT:

• PT (сквозной) — они изготавливаются с дополнительным «n + слоем», называемым «n + буферным слоем»,
• NPT (непробиваемый) — изготавливаются без «буферного слоя n +».

Поскольку все транзисторы доступны в n-типе и p-типе, IGBT также доступны в обоих типах. В этой статье рассматривается PT, n-канальный транзисторный IGBT.

Рис. 4. Внутренняя структура «n-канального» IGBT-транзистора

Внутренняя конструкция транзисторного IGBT состоит из следующих областей:

• слой p + (слой инжекции) — Это коллекторная область. Он сильно легирован. Нам нужно подать положительное напряжение, чтобы коллектор и буферный переход (J ₃ ) были смещены в прямом направлении.
• n + layer (буферный слой) — Это дополнительный слой. Этот слой не влияет на работу транзисторного IGBT. Это делает устройство асимметричным. Помогает в области прямого пробоя.
• n-слой (область дрейфа стока) — Этот слой слегка легирован. Он служит базой для транзистора PNP, стоком полевого МОП-транзистора и эмиттером транзистора NPN. Соединение J ₂ образовано между n-слоем и p + телом.
• p + (Body) — Он действует как эмиттер PNP-транзистора, корпус MOSFET и база NPN-транзистора.
• n + layer — Он действует как коллектор NPN-транзистора, исток MOSFET. Соединение ₁ образовано между телом p + и слоем n + (источником)
• SiO ₂ — затвор изолирован емкостью SiO

Режим прямой блокировки — Когда на коллектор подается положительное напряжение, затвор и эмиттер закорочены. Переходы J ₁ и J ₃ смещены в прямом направлении, а J ₂ — в обратном.

Режим проводимости — Подайте достаточное положительное напряжение на клемму затвора. Подайте положительный коллектор на эмиттер. Канал электронов формируется под SiO ₂ и в области тела p-типа. Этот канал соединяет n + слой с n- дрейфовой областью. Транспорт электронов в области n-дрейфа снижает сопротивление этой области. Junction ₁ также смещен вперед и вводит дырки в область n-дрейфа. Дырки от инжекционного слоя и электроны от n + слоя собираются в дрейфовой области.Наличие большого количества носителей (электронов и дырок) снижает сопротивление n-дрейфовой области или, можно сказать, увеличивает проводимость n-дрейфовой области. Это явление называется модуляцией проводимости дрейфовой области . Электроны и дырки составляют ток, протекающий через биполярный транзистор с изолированным затвором.

Режим обратной блокировки — Когда на коллектор подается отрицательное напряжение, переход ₃ смещается в обратном направлении.

IGBT обычно используется в коммутационных приложениях, поскольку он работает либо в области отсечки, либо в области насыщения.

Отдельные области выходной характеристики IGBT:

V _GE = 0, устройство выключено, так как в области тела p-типа не сформирован инверсионный слой. Это область отсечения .

В _GE > 0, В _GE GET примените V _GE так, чтобы оно было больше 0, но меньше В _GET (пороговое напряжение). В этом случае ток утечки очень мал, что связано с потоком неосновных носителей. Устройство все еще находится в зоне отключения. А V _CE практически равен V _CC .

В _GE > В _GET , приращение напряжения затвор-эмиттер сверх порогового значения, поместите устройство в активную область . Из-за напряжения затвор-эмиттер в области тела p-типа создается инверсионный слой n-типа . Теперь есть канал для текущего потока.

В _GE >> V _GET , существенное увеличение напряжения _GE переводит полевой МОП-транзистор в омическую область, а выходной PNP-транзистор в область насыщения область .В области насыщения ток коллектора (i _c ) также увеличивается, что снижает V _CE .

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика IGBT-транзистора

Биография автора:

Амна Ахмед — страстный писатель. Она ведет образовательный блогер с 2012 года. Она живет в Карачи, Пакистан. Она закончила B.E. Электронная инженерия из авторитетного учреждения в 2011 году. Она любит электронику и любит читать и писать все, что связано с электроникой.Она хорошо пишет обзоры литературы, конспекты лекций, обзоры технологий.