Транзистор «от шефа»: особенности IGBT компании STMicroelectronics

30 ноября 2011

В начале 1980-х годов была создана полупроводниковая технология, объединяющая преимущества высокого входного сопротивления МОП-транзисторов и низкого сопротивления и малого времени переключения биполярных транзисторов. Выпускаемые по этой технологии приборы получили название «биполярный транзистор с изолированным затвором» (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT). Транзисторы быстро заняли достойное место на рынке приложений, для которых требовалось большой рабочий ток (десятки Ампер), высокое рабочее напряжение (400 В и более) и высокая частота переключения (более 100 кГц). Основными производителями IGBT-транзисторов являются компании IR, Fairschild, Infineon и ST.

В данной статье будут рассмотрены принципы работы IGBT-транзисторов, IGBT транзисторы компании ST и интеллектуальные силовые модули компании ST, основанные на IGBT-транзисторах.

Что такое IGBT-транзисторы?

Биполярные транзисторы с изолированным затвором — это приборы на неосновных носителях заряда с высоким входным импедансом, характерным для полевых транзисторов, и большим допустимым током в открытом состоянии, характерным для биполярных транзисторов. Большинство разработчиков рассматривают IGBT как приборы с входными характеристиками МОП-транзисторов и выходными характеристиками биполярных транзисторов, которые объединены в управляемый напряжением биполярный транзистор. Транзисторы со структурой IGBT были созданы, чтобы использовать преимущества силовых MOSFET и биполярных транзисторов. В результате появились приборы с функциональной интеграцией силовых MOSFET и биполярных транзисторов в монолитном виде. IGBT соединяют в себе лучшие качества обоих типов.

IGBT можно использовать во многих приложениях силовой электроники, особенно в драйверах систем управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для сервомоторов и трехфазных асинхронных двигателей, для которых требуется большой динамический диапазон управления и малый уровень электромагнитных помех. Кроме того, IGBT можно использовать в источниках бесперебойного питания (ИБП, UPS), импульсных источниках питания (SMPS), и других силовых схемах, для которых требуется высокая частота переключения. IGBT позволяют улучшить динамическую производительность и эффективность, и уменьшают уровень электромагнитных излучений. Они великолепно подходят для схем конвертеров, работающих в резонансном режиме.

Доступны IGBT, оптимизированные как для низких значений потерь, связанных с конечной проводимостью, так и для низких значений потерь, связанных с зарядом переключения.

IGBT, по сравнению с силовыми MOSFET и биполярными транзисторами имеют следующие основные преимущества:

1. В открытом состоянии из-за модуляции проводимости они имеют очень маленькое падение напряжения и чрезвычайно большую допустимую плотность. Возможность изготовления транзисторов в миниатюрных корпусах значительно снижает их стоимость.

2. Малая мощность управления и простая схема управления за счет МОП-структуры входного каскада. Обеспечивают возможность более простого управления, чем для приборов с токовым управлением (тиристор, биполярный транзистор) в высоковольтных и высокочастотных приложениях.

3. Широкая область надежной работы (SOA). Приборы имеют большую возможность проводить ток по сравнению с биполярными транзисторами. Кроме того, транзисторы хорошо проводят ток в прямом направлении и практически не проводят в обратном.

История появления

Первые полевые транзисторы были разработаны в 1973 году, а уже спустя 6 лет появились управляемые биполярные модели, в которых использовался изолированный затвор. По мере совершенствования технологии существенно улучшились показатели экономичности и качества работы таких элементов, а с развитием силовой электроники и автоматических систем управления они получили широкое распространение, встречаясь сегодня практически в каждом электроприборе.

Сегодня используются электронные компоненты второго поколения, которые способны коммутировать электроток в диапазоне до нескольких сотен Ампер. Рабочее напряжение у IGBT — транзисторов колеблется от сотен до тысячи Вольт. Совершенствующие технологии изготовления электротехники позволяют выполнять качественные транзисторы, обеспечивающие стабильную работу электроприборов и блоков питания.

Основные недостатки IGBT:

1. Скорость переключения ниже, чем у силовых MOSFET и выше, чем у биполярных транзисторов. При закрывании транзистора ток коллектора имеет хвост за счет небольшой проводимости, вызванной малой скоростью закрывания.

2. Возможность «защелкивания» из-за внутренней тиристороподобной PNPN-структуры.

IGBT-структура пригодна для повышения значения запирающего напряжения (напряжение отсечки). В случае силовых MOSFET с увеличением напряжения отсечки резко растет сопротивление канала транзистора в открытом состоянии из-за увеличения удельного сопротивления и ширины области дрейфа носителей заряда, необходимой для поддержания высокого рабочего напряжения. По этим причинам обычно избегают разрабатывать силовые MOSFET, рассчитанные на большой допустимый ток, с высоким значением запирающего напряжения. Напротив, для IGBT удельное сопротивление области дрейфа носителей заряда существенно уменьшается за счет высокой концентрации инжектированных носителей заряда вызванных протеканием тока в открытом состоянии. Прямое падение напряжения на области дрейфа начинает зависеть от ее толщины и не зависеть от начального удельного сопротивления.

Проверка исправности

Ревизия и тестирование IGBT полупроводников выполняется при наличии неисправностей электрических устройств. Такую проверку проводят с использованием мультитестера, прозванивая коллекторы и электроды с эмиттером в двух направлениях. Это позволит установить работоспособность транзистора и исключит отсутствие замыкания. При проверке необходимо отрицательно зарядить вход затвора, используя щупы мультиметров типа COM .

Для проверки правильности работы транзистора на входе и выходе затвора заряжают ёмкость положительным полюсом. Выполняется такая зарядка за счёт кратковременного касания щупом затвора, после чего проверяется разность потенциала коллектора и эмиттера. Данные потенциалов не должны иметь расхождение более 1,5 Вольта. Если тестируется мощный IGBT, а тестера не будет хватать для положительного заряда, на затвор подают напряжение питания до 15 Вольт.

Устройство IGBT транзистора

Транзисторы IGBT объединяют преимущества силовых MOSFET и биполярных транзисторов. Упрощенно можно считать, что структура IGBT является комбинацией двух приборов. Как показано на рисунке 1, на входе IGBT имеется структура MOS-затвора, а на выходе — структура PNP-транзистора с широкой базой.

Рис. 1. Схематическое представление N-канального IGBT

Управляющий базовый ток для PNP-транзистора поступает из канала входного MOSFET. Кроме PNP-транзистора, имеется еще и NPN-транзистор, который предназначен для деактивации короткого замыкания между базой и эмиттером за счет слоя металла, образующего исток MOSFET. Четырехслойная структура PNPN, получающаяся от комбинации PNP и NPN транзистора формирует структуру тиристора, которая приводит к возможности «защелкивания». В отличие от мощного MOSFET-транзистора, IGBT не имеет интегрального обратно смещенного диода, который в MOSFET-транзисторах существует паразитно, и поэтому в случае необходимости в IGBT в транзистор вводится быстрый диод.

Устройство и принцип работы

Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

  • К — коллектор.
  • Э — эмиттер.
  • З — затвор.

Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.

Основным назначением IGBT транзисторов является их приближение к безопасному значению токов замыкания. Такие токи могут ограничивать напряжение затвора различными методами.

Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.

Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.

В цепь может включаться эмиттер с отрицательной обратной связью. Подобное возможно в тех случаях, когда драйвер затвора подключён к клеммам модуля.

Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов. Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.

Технологии PT и NPT изготовления IGBT-транзисторов

IGBT называется PT (punch-through) или асимметричным, если имеется N+ буферный слой между P+ подложкой и N- областью дрейфа. В противном случае, он называется NPT (non-punchthrough) или асимметричным IGBT. N+ буферный слой увеличивает скорость выключения транзистора путем уменьшения инжекции неосновных носителей заряда и увеличения скорости рекомбинации при переключении транзистора. Кроме того, вероятность «защелкивания» также уменьшается за счет уменьшения коэффициента усиления по току PNP-транзистора. Основная проблема состоит в том, что увеличивается падение напряжения на открытом транзисторе. Однако толщину дрейфовой области N- можно уменьшить путем подачи напряжения прямого смещения. В результате уменьшится падение напряжения на открытом транзисторе. Следовательно, PT-IGBT имеют более удачные характеристики по сравнению с NPT-IGBT в отношении скорости переключения и прямого падения напряжения. В настоящее время большинство серийных IGBT выпускается по PT-IGBT технологии. Возможности прямого и обратного запирания IGBT приблизительно равны, поскольку определяются толщиной и удельным сопротивлением одного и того же дрейфового слоя N-. Обратное напряжение для PT-IGBT транзистора, который содержит буферный слой N+ между подложкой P+ и областью дрейфа N-, уменьшается до десятков вольт из-за наличия высоколегированных областей с обеих сторон зоны J1.

Ряд IGBT, изготавливающихся без буферного слоя N+, называются NPT (non-punch through) IGBT, в то время как транзисторы, у которых присутствует данный слой, называются PT (punch-through) IGBT. При правильном выборе степени легирования и толщины буферного слоя, его присутствие может значительно увеличить производительность транзисторов. Несмотря на физическое сходство, работа IGBT больше напоминает работу мощного биполярного транзистора, чем мощного MOSFET. Это происходит из-за того, что слой подложки P+ (инжекционный слой) отвечает за инжекцию неосновных носителей заряда в область дрейфа N-, что приводит к модуляции удельного сопротивления.

Технологически транзистор IGBT получают из транзистора MOSFET путем добавления еще одного биполярного транзистора структуры PNP. Эквивалентная крутизна IGBT значительно превышает крутизну MOSFET, и ее значением можно управлять на этапе изготовления IGBT. Еще одним достоинством IGBT является значительное снижение (по сравнению с MOSFET) последовательного сопротивления силовой цепи в открытом состоянии. Благодаря этому снижаются тепловые потери на открытом транзисторе.

По результатам исследований было выяснено, что у IGBT отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для обычных биполярных транзисторов. Быстродействие IGBT ниже, чем у MOSFET, но выше, чем у биполярных транзисторов, поэтому их используют на частотах порядка 100 кГц. Ограничение скорости переключения IGBT кроется в конечном времени жизни неосновных носителей в базе PNP-транзистора. Накопленный в базе PNP-транзистора заряд вызывает характерный «хвост» тока при закрывании IGBT. Причина этого заключается в том, что как только имеющийся в составе IGBT-транзистора MOSFET закрывается, в силовой цепи начинается рекомбинация неосновных носителей заряда, которая предшествует возникновению «хвоста». Этот «хвост» служит причиной основных тепловых потерь и требует введения так называемого «мертвого времени» в схемах управления мостовыми и полумостовыми инверторами. Поскольку база PNP-транзистора сделана недоступной извне, то меры по уменьшению «хвоста» можно принять только на этапе изготовления транзистора. На рисунке 2 показана упрощенная схема полумостового инвертора.

Рис. 2. Упрощенная схема полумостового инвертора

Потери в транзисторах

Различают 3 типа потерь мощности на транзисторах: статические, динамические, в цепи управления.

Первые обусловлены токами утечки в запертом состоянии, сопротивлением полупроводникового кристалла. Статические потери рассчитывают по формуле:

где U(0) – падение напряжения, Iср и Irms – средний и среднеквадратичный ток соответственно.

Динамические потери возникают при открывании и запирании транзистора. Они определяются по графику и зависят от частоты коммутаций, температуры, напряжения на коллекторе, тока в момент переключения.

Потери в цепи управления полупроводниковым элементом ничтожно малы и при практических расчетах его величиной можно пренебречь.

В области частот 10-20 кГц потери мощности на IGBT-транзисторах малы и не вызывают сильного нагрева, который приводит к тепловому пробою.

IGBT-транзисторы компании ST

Все выпускаемые компанией ST IGBT транзисторы можно разделить на три основные категории:

1. IGBT с рабочим напряжением 400 В для силовых инверторов,

2. IGBT с рабочим напряжением 600 В для мостовых и полумостовых драйверов управления электродвигателями в стационарных устройствах,

3. IGBT с рабочим напряжением 900…1300 В для силовых модулей и систем управления электродвигателями электромобилей.

Наиболее массовой является категория транзисторов с рабочим напряжением 600 В.

В таблицах 1, 2, 3 показаны характеристики некоторых IGBT каждой из указанных категорий.

Таблица 1. IGBT с рабочим напряжением 400 В

НаименованиеНапря-жение коллектор-эмиттер (Vces) max, ВТок кол-лектора (I_C) (@ Tc = 100°C) max, АVce(sat) (при Tc = 125°C) тип., ВТок кол-лектора(IC_DC) (@ Vce(sat)) тип., АПотери на пере-ключение (Eoff) (при Tc=125°C) тип, мДжАнти парал-лельные диодыЧастота переклю-чения max, кГцРассеива-емая мощность(PD) max, ВтТип корпуса
STGB10NB37LZ410101,3208,71125D2PAK
STGP10NB37LZ410101,3208,71125TO-220
STGB10NB40LZ410101,3208,71150D2PAK
STGB18N40LZ390301,3101125D2PAK; TO-220
STGD18N40LZ390251,3101125DPAK; IPAK
STGP18N40LZ390301,3101150TO-220
STGB20NB37LZ400201,32017,81200D2PAK
STGB20NB41LZ410201,32018,41200D2PAK
STGB35N35LZ350301,35151176D2PAK; TO-220
STGP35N35LZ350301,35151176TO-220

Таблица 2. IGBT с рабочим напряжением 600 В и током более 50 А

НаименованиеНапря-жение коллектор-эмиттер (Vces) max, ВТок кол-лектора (I_C) (@ Tc = 100°C) max, АVce(sat) (при Tc = 125°C) тип., ВТок кол-лектора(IC_DC) (@ Vce(sat)) тип., АПотери на пере-ключение (Eoff) (при Tc=125°C) тип, мДжАнти парал-лельные диодыЧастота переклю-чения max, кГцРассеива-емая мощность (PD) max, ВтТип корпуса
STGE50NC60VD600501,7401.4Ultra Fast50260ISOTOP
STGE50NC60WD600501,9400,9Ultra Fast100260ISOTOP
STGW50H60DF600502,1501,1Ultra Fast50360TO-247
STGW50HF60S600601,05307,8No1284TO-247
STGW50HF60SD600501,05307,8Low Drop1284TO-247
STGW50NC60W600501,9400,9100278TO-247
STGY50NC60WD600501,9400,9Ultra Fast100278Max247
STGWA60NC60WDR600601,9400,9Ultra Fast100340TO-247 long leads
STGW60H65F650602,1601,4100360TO-247
STGE200NB60S6001501,2150921600ISOTOP

Таблица 3. IGBT с рабочим напряжением 900…1300 В

НаименованиеНапря-жение коллектор-эмиттер (Vces) max, ВТок Кол-лектора (I_C) (@ Tc = 100°C) max, АVce(sat) (при Tc = 125°C) тип., ВТок кол-лектора (IC_DC) (@ Vce(sat)) тип., АПотери на переклю-чение (Eoff) (при Tc=125°C) тип, мДжАнти парал-лельные диодыЧастота переклю-чения max, кГцРассеива-емая мощность(PD) max, ВтТип корпуса
STGW30N90D900302206,9Ultra Fast20220TO-247
STGF3NC120HD120032,230,6Ultra Fast2025TO-220FP
STGD5NB120SZ120051,2510175DPAK; IPAK
STGB3NC120HD120072,230,6Ultra Fast2075D2PAK
STGP3NC120HD120072,230,6Ultra Fast2075TO-220
STGW25H120DF1200252,3251,5Ultra Fast20330TO-247
STGW30N120KD1200302,7205,8Ultra Fast20220TO-247
STGW30NC120HD1200302206,9Ultra Fast20220TO-247
STGW35NC120HD1200342206,9Ultra Fast20250TO-247-ll
STGW40N120KD1200402,7309,3Ultra Fast20240TO-247
STGW38IH130D1300332206,4Ultra Fast20250TO-247; TO-247-ll
STGWT38IH130D1300332206,4Ultra Fast20250TO-3P

Управление модулями IGBT

Модули IGBT управляются драйверами. Микросхемы вырабатывают управляющие импульсы, обеспечивают коммутацию ключей в нужном частотном диапазоне, согласовывают работу полупроводниковых устройств с блоком управления.

При выборе драйверов для модулей, производители рекомендуют руководствоваться следующими рекомендациями:

Напряжение цепи «коллектор-эмиттер» для снижения динамических потерь и обеспечения стабильной работы транзистора при отпирании ключа должно составлять +15±10% В, при запирании -7…-15 В. Максимальная величина – не более ±20 В.

Интеллектуальные силовые модули (IPM) на базе IGBT-семейства SLLIMM от ST

Семейство SLLIMM интеллектуальных силовых модулей создано для удовлетворения требований широкого класса конечных приложений в диапазоне мощностей от 300 Вт до 2,0 кВт, таких как:

  • Стиральные машины
  • Посудомоечные машины
  • Холодильники
  • Драйверы компрессоров кондиционеров воздуха
  • Швейные машины
  • Насосы
  • Электроинструменты
  • Промышленные устройства управления малой мощности

Интеллектуальные силовые модули (IPM) на базе IGBT расширяют диапазон продуктов компании ST для силовых приложений. Это — решения с превосходными тепловыми характеристиками, которые упрощают разработку, объединяя специфичные для приложений IGBT и диоды, запатентованные функции управления, интеллектуальную защиту и множество дополнительных функций.

Модули IPM допускают непосредственное подключение к микроконтроллерам, преобразуя выходные сигналы микроконтроллера в мощные высоковольтные сигналы необходимой для управления электродвигателями формы. Один модуль способен заменить более 30 дискретных компонентов, значительно повышая надежность и уменьшая размер и стоимость изделий. На рисунке 3 показаны преимущества замещения дискретных компонентов интеллектуальным модулем.

Рис. 3. Преимущества замещения дискретных компонентов интеллектуальным модулем

В состав каждого интеллектуального модуля входят следующие узлы и компоненты:

  • Трехфазный IGBT мостовой инвертор, включающий:
  • Шесть IGBT с малыми потерями и схемами защиты от коротких замыканий,
  • Шесть диодов свободного хода (freewheeling) с малым падением напряжения и плавным восстановлением;
  • Три ИС управления для управления и защиты ключей, включая:
    • Функцию интеллектуального отключения,
    • Компаратор для защиты от превышения током предельно допустимого значения при коротком замыкании,
    • Операционный усилитель для увеличения чувствительности датчика тока,
    • Три интегрированных ограничительных диода,
    • Функцию взаимного отключения,
    • Блокировку при перегрузках по напряжению;
  • Терморезисторы с отрицательным ТКС (NTC) для наблюдения за температурой;
  • Конфигурация с открытым эмиттером для установки индивидуального для каждой фазы датчика тока;
  • Полностью изолированный корпус, выполненный по технологии DBC с повышенной теплоотдачей;
  • Номинальное напряжение изоляции 2500В с.к.з.;
  • Некоторые пассивные компоненты для оптимизации скорости переключения IGBT транзисторов;
  • Схемы смещения для драйверов ключей верхнего плеча и фильтрации помех.
  • Модули IPM компании ST используют корпуса, выполненные по технологии DBC (direct-bond copper) — прямой металлизации медью, и процессы вакуумной сварки, что гарантирует лучший отвод тепла и меньшее электрическое сопротивление и позволяет получать большие удельные мощности и увеличивать надежность систем.

    Мощные модули

    Силовые транзисторы изготавливаются не только отдельными полупроводниками, но и уже собранными готовыми к использованию модулями. Такие приспособления входят в состав мощных частотных преобразователей в управлении электромоторами. В каждом конкретном случае схема и принцип работы модуля будут различаться в зависимости от его типа и предназначения. Чаще всего в таких устройствах используется мост, выполненный на основе двух силовых транзисторов.

    Стабильная работа IGBT обеспечивается при частоте 150 килогерц. При повышении рабочей частоты могут увеличиваться потери, что отрицательно сказывается на стабильности электроприборов. Силовые транзисторы все свои преимущества и возможности проявляют при использовании с напряжением более 400 Вольт. Поэтому такие полупроводники чаще всего применяют в промышленном оборудовании и электроприборах высокого напряжения.

    Красников Николай

    Источник

    Ключевые особенности и преимущества IPM

    Особенности

    • 600 В, трехфазный мостовой инвертор на базе IGBT, включая ИС управления ключами и диоды свободного хода
    • Защита IGBT от короткого замыкания
    • Полностью изолированный корпус, выполненный по технологии DBC с повышенной теплоотдачей
    • Функция интеллектуального отключения
    • Компаратор для защиты от превышения током предельно допустимого значения при коротком замыкании
    • Операционный усилитель для увеличения чувствительности датчика тока
    • Встроенные ограничительные диоды
    • Малый форм-фактор

    Преимущества

    • Удобство управления от микроконтроллера
    • Высокая эффективность и надежность
    • Очень низкое тепловое сопротивление Rth
    • Уменьшенное количество компонентов
    • Оптимизированная топология печатной платы
    • Уменьшение размера печатной платы (компактная конструкция)
    • Малая интенсивность отказов
    • Простота реализации алгоритма управления по полю (FOC) без использования дополнительных датчиков

    В таблице 4 представлены основные характеристики IPM компании ST.

    Таблица 4. Основные характеристики интеллектуальных силовых модулей (IPM) компании ST

    ОсобенностиБазовая версияПолнофункциональная версия
    STGIPS10K60ASTGIPS14K60STGIPL14K60STGIPS20K60STGIPL20K60
    Рабочее напряжение, В600600600600600
    Рабочий ток при TC=25 °C, А1014151820
    RthJC max. Для одного IGBT, °C/Вт3,832,82,42,2
    Тип корпусаSDIP-25LSDIP-25LSDIP-38LSDIP-25LSDIP-38L
    Размер корпуса, мм (X, Y, Z)44,4×22,0×5,444,4×22,0×5,449,6×24,5×5,444,4×22,0×5,449,6×24,5×5,4
    Технология DBCДаДаДаДаДа
    NTCДаДаДаДаДа
    Встроенные ограничительные диодыДаДаДаДаДа
    Функция SDНетДаДаДаДа
    Компаратор для защиты от коротких замыканийНетДа (1 вывод)Да (3 вывода)Да (1 вывод)Да (3 вывода)
    Функция интеллектуального отключенияНетДаДаДаДа
    Операционный усилитель для увеличения чувствительности датчика токаНетНетДаНетДа
    Функция взаимного выключенияДаДаДаДаДа
    Блокировка при перегрузке по напряжениюДаДаДаДаДа
    Конфигурация с открытым эмиттеромДа (3 вывода)Да (3 вывода)Да (3 вывода)Да (3 вывода)Да (3 вывода)
    Совместимость с входными логическими уровнями 3,3/5 ВДаДаДаДаДа
    Входной сигнал для IGBT-транзисторов верхнего плечаВысокий активный уровеньВысокий активный уровеньВысокий активный уровеньВысокий активный уровеньВысокий активный уровень
    Входной сигнал для IGBT-транзисторов нижнего плечаВысокий активный уровеньНизкий активный уровеньНизкий активный уровеньНизкий активный уровеньНизкий активный уровень

    Выбор модулей IGBT

    Транзисторные модули выбирают по нескольким основным характеристикам:

    • Максимальный ток коллектора Iс. Производители обычно приводят 2 значения. Одно при стандартной температуре в помещениях +25°С, второе при +80°С. В руководствах приведен график зависимости тока коллектора от температуры. Для определения промежуточных значений можно воспользоваться им.
    • Напряжение «коллектор-эмиттер». Характеристика определяет класс полупроводникового элемента. При выборе необходимо воспользоваться таблицей класса напряжений IGBT-транзисторов для промышленных сетей.
    • Рабочее максимальное напряжение «коллектор-эмиттер». Для стабильной работы модуля пиковые величины не должны быть больше 80 % номинального значения. Нормальное рабочее напряжение не должно превышать 60% от номинала.
    • Заряд затвора и напряжение насыщения. Характеристики нужны для расчета драйвера и определения потерь при открытом транзисторе.

    Для выбора полупроводниковых модулей IGBT для преобразователей рекомендует следующий алгоритм:

    • Определение номинального и максимального напряжения звена постоянного тока.
    • Выбор типа модуля по классификационному напряжению.
    Классы напряжения IGBT для электросетей
    Напряжение сети, В220380660
    Напряжение IGBT, В60012001700
    • Определение предельного тока на выходе преобразователя.
    • Выбор максимальной частоты переключений для предельного выходного тока.
    • Выбор модуля IGBT с номинальным током не меньше предельного значения на выходе преобразователя.
    • Расчет статических и динамических потерь в каждом элементе модуля при максимально допустимой температуре IGBT.
    • Расчет предельной температуры радиатора в зоне установки модуля.
    • Вычисление общих потерь на модуль.

    Значение температуры выбирают с запасом. При превышении расчетного значения допустимой величины, необходим выбор модуля с большим номинальным током. При большом запасе выбирают IGBT с меньшим номинальным током и заново выполняют расчеты.

    Оценочные платы от ST

    Компания ST выпускает ряд оценочных плат на базе IGBT и интеллектуальных модулей на их основе. В таблице 5 приведены основные отличительные особенности этих плат.

    Таблица 5. Оценочные платы на базе IGBT и модулей от ST

    НаименованиеОсобенностиВнешний вид
    STEVAL-IHM025V11 x IGBT SLLIMM STGIPL14K60 1 преобразователь, основанный на Viper16 1 xIGBT STGP10NC60KD
    STEVAL-IHM027V11 x IGBT SLLIMM STGIPS10K60A 1 преобразователь, основанный на Viper16 1 xIGBT STGP10NC60KD
    STEVAL-IHM028V11 x IGBT SLLIMM STGIPS20K60 1 x ШИМ SMPS VIPer26LD 1 x IGBT STGW35NB60SD
    STEVAL-IHM021V13 интеллектуальных драйвера с ШИМ L6390 6 мощных переключательных MOSFET-транзисторов STD5N52U
    STEVAL-IHM023V13 интеллектуальных драйвера с ШИМ L6390 7 мощных переключательных IGBT STGP10NC60KD
    STEVAL-IHM024V13 интеллектуальных драйвера с ШИМ L6390 6 мощных переключательных IGBT STGDL35NC60DI

    Универсальная оценочная плата STEVAL-IHM028V1 разработана на базе интеллектуального модуля трехфазного мостового инвертора STGIPS20K60 компании ST с рабочим напряжением 600 В и рабочим током 20 А. Модуль имеет встроенные компараторы для аппаратной защиты (такой как защита от перегрузок по току и защита от перегрева).

    Оценочная плата STEVAL-IHM028V1 имеет следующие отличительные особенности:

    • Законченное решение для силового инвертора мощностью 2 кВт,
    • Подключение к однофазной силовой сети с напряжением 90…285 В переменного тока или к источнику постоянного тока с напряжением до +400 В,
    • Входной удвоитель напряжения для подключения к низковольтной силовой сети переменного тока,
    • Ограничитель входного пускового тока с проходным реле,
    • Устройство активного торможения с компаратором перегрузки по напряжению;
    • Измерение тока как с тремя, так и с одним датчиком тока;
    • Возможность подключения датчиков Холла или энкодера,
    • Вход тахометра,
    • Аппаратная защита от перегрева и перегрузок по току,
    • Активное воздушное охлаждение с автоматическим переключением при повышении температуры,
    • Компактная и безопасная конструкция,
    • Универсальная платформа для проведения последующих экспериментов.

    Сфера использования

    Сегодня IGBT транзисторы применяются в сетях с показателем напряжения до 6,5 кВт, обеспечивая при этом безопасную и надежную работу электрооборудования. Имеется возможность использования инвертора, частотно регулируемых приводов, сварочных аппаратов и импульсных регуляторов тока.

    Сверхмощные разновидности IGBT используются в мощных приводах управления троллейбусов и электровозов. Их применение позволяет повысить КПД, обеспечив максимально возможную плавность хода техники, оперативно управляя выходом электродвигателей на их полную мощность. Силовые транзисторы применяются в цепях с высоким напряжением. Они используются в схемах бытовых кондиционеров, посудомоечных машин, блоков питания в телекоммуникационном оборудовании и в автомобильном зажигании.

    MOSFET-транзисторы от компании ST

    Кроме IGBT, компания ST выпускает также MOSFET-транзисторы, параметры наиболее выдающихся из которых приведены в таблице 6.

    Таблица 6. Супер MOSFET-транзисторы от ST

    НаименованиеVDSS, ВRDS(вкл) (при VGS=10 В) max, ОмТок стока (Dc)(I_D) max, AРассе-иваемая мощность (PD) max, ВтЗаряд переклю-чения (Qg) тип., нКлОсобенностиЗаряд обратного восста-новления (Qrr) тип (нКл)Время обратного восста-новления (trr) тип., нсекПиковый обратный ток (IRRM) ном., АТип корпуса
    STE70NM505000,057060019055242ISOTOP
    STW27NM60ND6000,0162116080Fast diodeTO-247
    STW62NM60N6000,04955350130TO-247
    STW77N65DM56500,04365400185Fast diodeTO-247
    STW77N65M56500,03869400185TO-247
    STY112N65M5*6500,01993450360Max247
    STY60NM505000,056056019055242Max247
    STY80NM60N6000,03574560360Max247
    * Выдающееся значение рабочего тока при низком сопротивлении открытого канала.

    Особого внимания также заслуживают высоковольтные силовые MOSFET-транзисторы: n-канальные с рабочим напряжением до +1500 В и p-канальные с рабочим напряжением до -500 В. Основные параметры транзисторов представлены в таблице 7.

    Таблица 7. Высоковольтные MOSFET-транзисторы от ST

    НаименованиеVDSS, ВRDS (вкл) (приVGS=10В) max, ОмТок стока (Dc)(I_D) max, АРассеива-емая мощность(PD) max, ВтЗаряд переклю-чения затвора(Qg) тип, нКлЗаряд обратного восстано-вления (Qrr) тип., нКлВремя обратного восстанов-ления (trr) тип, нсекМакси-мальный обратный ток(IRRM) ном., АТип корпуса
    n-канальные с рабочим напряжением +1500 В
    STFW3N150150092.56329,3TO-3PF
    STFW4N1501500746330TO-3PF
    STP3N1501500122,514018TO-220
    STP4N150150073,11603551012TO-220
    STW3N150150092,514029,3TO-247
    STW4N1501500741603051012TO-247
    STW9N15015002,5832089,3TO-247
    p-канальные с рабочим напряжением -500 В
    STD3PK50Z5004-2,87020DPAK

    Монтаж модулей IGBT

    Для эффективного охлаждения полупроводниковых модулей необходимо подготовить поверхность радиатора и обеспечить плотное прилегание подложки прибора к охладителю. Шероховатость поверхностей должна быть не более 10 мкм, отклонение от параллельности –меньше 20 мкм на расстоянии до 10 см.

    Перед монтажом нужно убедиться, что на поверхностях нет твердых частиц, а также обезжирить подложку и радиатор любым неагрессивным к материалам компонентов растворителем.

    Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений. Характеристики материала должны сохраняться при любой температуре эксплуатации на протяжении всего срока службы. Рекомендованный запас по температуре – 10%. Перед нанесением пасты контактные поверхности охладителя и подложки обезжиривают безворсовой тканью, смоченной в растворителе. Толщину слоя пасты регулируют специальным гребешком. При нанесении теплопроводящего материала избегают его попадания на радиатор и в гнезда для резьбовых соединений.

    Крепление силовых моделей осуществляют в следующем порядке:

    • Фиксируют корпус двумя диагональными болтами.
    • Наносят теплопроводящий материал.
    • Затягивают болты по диагонали (рекомендованное усилие 0.5 Нм ± 15%).
    • Выдерживают полчаса для заполнения пустот теплопроводящей пастой.
    • Затягивают болты с усилием 3-5 Нм.

    Для затяжки применяют электронные инструменты с небольшой частотой вращения и функцией контроля усилий. Применять пневматику нельзя, такой инструмент недостаточно точен и может создать избыточное усилие затяжки, которое приводит к напряжениям на корпусе прибора и трещинам полупроводникового кристалла.

    При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки.

    Литература

    1. ST. AN1491. IGBT BASICS. Ссылка

    2. ST. 600 V SiC diodes. Ссылка

    3. Ссылка

    4. Ссылка

    5. https://st.com/internet/analog/class/826.jsp

    6. Ссылка.

    Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail

    Где есть IGBT/MOSFET транзисторы, там есть и драйверы затворов

    В линейке аналоговых и смешанных интегральных схем, выпускаемых компанией STMicroelectronics, важное место занимают драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов. Ранние разработки содержат микросхемы драйверов, управляющих включением или выключением одиночного MOSFET- или IGBT-транзистора (категория «Single» в терминах компании STMicroelectronics, серии TD220, TD350). При определенной схеме включения данные драйверы могут управлять нагрузкой как верхнего, так и нижнего плеча. Отметим также микросхему TD310 — три независимых одиночных драйвера в одном корпусе. Такое решение будет эффективным при управлении трехфазной нагрузкой.

    Самыми современными драйверами являются серии высоковольтных полумостовых драйверов L6384…L6388 и L639х. Данные микросхемы независимых драйверов верхнего и нижнего плеча управляются по входам HIN и LIN. Причем высокий уровень логического сигнала включает, соответственно, верхнее или нижнее плечо драйвера. В некоторых из этих драйверов используется дополнительный вход SD, отключающий оба плеча независимо от состояния на входах HIN и LIN.

    В документации «L638xE Application Guide» компании STMicroelectronics приведены примеры схемы управления трехфазным двигателем, схемы балласта люминесцентной лампы с диммированием, DC/DC-преобразователей с различной архитектурой и ряд других. Также приведены схемы демонстрационных плат для всех микросхем данного семейства (в том числе и топология печатных плат).

    Драйверы серии L639х отличаются дополнительным функционалом: операционные усилители (в L6390 и L6392) предназначены для измерения тока, протекающего через нагрузку. Все микросхемы содержат логику защиты от одновременного открытия транзисторов верхнего и нижнего плеча и, соответственно, формирования паузы при изменении состояния выхода.

    •••

    Рейтинг
    ( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Для любых предложений по сайту: [email protected]