IGBT-werkprincipe – alles wat u moet weten

De IGBT is een van de meest efficiënte elektronische uitvindingen. Het IGBT-werkprincipe is uniek en wordt geleverd met tal van commerciële toepassingen - zoals AC/DC-motoraandrijvingen, tractiemotorbesturingen, UPS (niet-gereguleerde voeding), omvormers, enz.

Maar laten we niet op de zaken vooruitlopen. U moet volledig begrijpen hoe de IGBT werkt. Hier gaan we.

Wat is IGBT precies?

IGBT staat voor Insulated Gate Bipolar Transistor. Het is een elektrisch halfgeleiderapparaat met 3 aansluitingen dat snelle schakelmogelijkheden biedt met een hoog rendement.

Om een ​​IGBT beter te begrijpen, is het het beste om verschillende transistors te begrijpen in termen van functionaliteit.

Transistoren

Een transistor is een klein elektronisch onderdeel met twee hoofdfuncties. Het fungeert als een schakelaar om verlichtingscircuits te bedienen en kan signalen versterken.

Er zijn verschillende soorten transistoren op basis van ander nut of specifieke toepasbaarheid. De meest gebruikte transistors zijn BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET's en IGBT.

Zowel BJT's als MOSFET's hebben hun voorkeuren, evenals voordelen ten opzichte van elkaar. Terwijl BJT's de voorkeur geven aan lage on-state drops, zijn MOSFET's het beste vanwege hun hoge I/P-impedantie, laag schakelverlies en gebrek aan secundaire storing.

De IGBT combineert zowel de BJT als de MOSFET, waarbij hij het beste van beide transistors gebruikt.

Daarom is een IGBT een apparaat met drie aansluitingen dat wordt gebruikt als schakelapparaat en dat kan worden toegepast bij het versterken van signalen. IGBT biedt snel schakelen met een hoog rendement.

IGBT-symbool

Aangezien IGBT BJT en MOSFET combineert, volgen de symbolen hetzelfde principe als hieronder.

IGBT-symbool

Het symbool heeft ook drie terminals:de Collector, Emitter en Gate. De invoerzijde vertegenwoordigt de MOSFET, terwijl het het uitvoersymbool van het symbool van BJT neemt.

Zoals verwacht zijn de geleidingsterminals de Collector en Emitter. De Gate is de bedieningsterminal.

Structuur van IGBT

Alle drie de terminals (Collector, Emitter en Gate) van IGBT zijn bevestigd met metalen lagen. Het metalen materiaal op de Gate-terminal heeft echter een isolatie van een siliciumdioxidelaag.

Intern is de IGBT-structuur een vierlaags apparaat van halfgeleiders. Het vierlaagse apparaat komt tot stand door PNP- en NPN-transistors te combineren, die een PNPN-arrangement vormen.

Structuur van IGBT

Bron:Components101

De laag die zich het dichtst bij het collectorgebied bevindt, is het (p+) substraat, het injectiegebied. Rechts, daarboven bevindt zich het N-Driftgebied, dat de N-laag omvat.

Het actieve gebied voor injectie injecteert het grootste deel van de drager (de gatenstroom) van de (p+) in de N-laag.

De dikte van het driftgebied bepaalt het spanningsblokkerende vermogen van de IGBT.

Bovenop de Drift Region ligt de Body Region, die bestaat uit (p)substraat. Het ligt dicht bij de zender. Binnen het lichaamsgebied zijn er (n+) lagen.

Merk op dat de knooppunten tussen het collectorgebied (of injectiegebied) en het N-driftgebied J2 zijn. Evenzo is de kruising tussen de N-regio en de lichaamsregio knooppunt J1.

OPMERKING:De structuur van IGBT is topologisch vergelijkbaar met een thyristor in termen van de "MOS" -poort. Maar de thyristoracties en -functionaliteit zijn onderdrukbaar, wat betekent dat alleen transistoractie is toegestaan ​​in het volledige apparaatwerkingsbereik van de IGBT.

De IGBT heeft de voorkeur boven de thyristor vanwege het snelle omschakelen van het wachten van de thyristor op nuldoorgangen.

Hoe werkt een IGBT?

Het IGBT-werkprincipe is AAN of UIT door de Gate-terminal te activeren of te deactiveren.

Als een positieve ingangsspanning over de poort gaat, houdt de zender het aandrijfcircuit AAN. Aan de andere kant, als de Gate-terminal van IGBT nulspanning of licht negatief is, wordt de circuittoepassing UITgeschakeld.

Aangezien het Insulated Gate Bipolar-apparaat zowel als BJT als MOSFET functioneert, is de hoeveelheid versterking die het bereikt de verhouding tussen de uitgangs- en besturingsingangssignalen.

Voor een conventionele BJT is de hoeveelheid versterking ongeveer hetzelfde als de verhouding tussen uitgangsstroom en ingangsstroom. We noemden het Beta en aangeduid als β.

Aan de andere kant is er voor een MOSFET geen ingangsstroom omdat de Gate-aansluiting een isolatie is van het hoofdkanaal dat stroom voert. We bepalen de versterking van de IGBT's door de verandering van de uitgangsstroom te delen door de verandering van de ingangsspanning. Dit maakt de IGBT tot een trans-conductance-apparaat.

Werking van IGBT als een circuit

Laten we dit uitleggen aan de hand van de onderstaande afbeelding, die het volledige apparaatbedieningsbereik van de IGBT beschrijft.

Werking van IGBT als een circuit

De IGBT werkt alleen als er spanning op de Gate-terminal staat. Het is de poortspanning, die V_G . is .

Zoals te zien is in het diagram, zodra er een poortspanning is (V _G )_, de poortstroom (I _G ) toeneemt. Het verhoogt dan de Gate-Emitter Voltage (V _GE ).

Bijgevolg verhoogt de Gate-Emitter-spanning de Collectorstroom (I _C ). Daarbij wordt de Collector Stroom (I _C ) verlaagt de collector-naar-emitter-spanning (V _CE ).

OPMERKING:De IGBT heeft een spanningsval vergelijkbaar met diodes, typisch in de orde van 2V, die alleen toeneemt met het stroomlogboek.

De IGBT gebruikt vrijloopdiodes om tegenstroom te geleiden. De vrijloopdiodes worden over de Collector-Emitter-aansluitingen van het apparaat geplaatst.

 IGBT, Si-diode

Bron:Researchgate-publicatie

De ingebouwde diode is een vereiste voor IGBT's omdat het elektronische vermogensapparaat zonder de aan / uit-schakelaar kan falen. Sinds het uitschakelen genereert een inductieve belastingsstroom hoge spanningspieken wanneer er geen geschikt pad is.

IGBT- en FWD-module 

Bron:Researchgate

Telkens wanneer de bipolaire transistor met geïsoleerde poort wordt uitgeschakeld, stromen de minderheidsdragers uit de N-regio naar het externe circuit. Nadat de uitputtingslaag uitzet (collector-emitterspanning stijgt), veroorzaken de minderheidsdragers interne recombinatie van de stroom, de staartstroom.

Soorten IGBT

Als een vierlaags apparaat kunnen IGBT's worden geclassificeerd op basis van de aanwezigheid van de (n+) bufferlaag. Geïsoleerde Gate Bipolaire Transistors met de (n+) bufferlaag zijn de Punch-through IGBT (of gewoon PT-IGBT).

Evenzo zijn IGBT's zonder de (n+) bufferlaag de Non-Punch through IGBT (of gewoon NPT-IGBT). Hier is een tabel met hun verschillen.

Insulated Gate bipolaire transistoren zijn verder te classificeren op basis van hun kenmerken. Het ontwerpconcept van het apparaat voor PT-IGBT en de NPT-IGBT kan symmetrisch of asymmetrisch zijn.

De symmetrische IGBT's hebben een gelijke voorwaartse en achterwaartse doorslagspanning. Tegelijkertijd hebben asymmetrische geïsoleerde poort bipolaire transistoren hun voorwaartse doorslagspanning groter dan de omgekeerde doorslagspanning.

Dit betekent dat symmetrische IGBT vooral toepasbaar is in wisselstroomcircuits. Aan de andere kant is asymmetrische IGBT toepasbaar in DC-circuits, en dat komt omdat ze geen ondersteunde sperspanning nodig hebben.

IGBT-modellen

Circuits die het IGBT-werkprincipe gebruiken, zijn meestal voorzien van modellering met circuitsimulators zoals Sabre en SPICE.

De simulatoren kunnen de IGBT (en andere werkelijke apparaten) modelleren om de beste voorspellingen te geven met betrekking tot stromen en spanningen op de elektrische klemmen.

Voor een nog preciezere voorspelling worden warmte en temperatuur meegenomen in het simulatieproces. De meest gebruikelijke modelleringsmethoden voor het apparaatontwerpconcept van IGBT zijn:

• Natuurkundig model
• Macromodel

De SPICE-simulator maakt gebruik van de MacroModel-methode, die verschillende componenten combineert, zoals MOSFET's en BJT's, met behulp van een Darlington-configuratie.

IGBT-werkprincipe– Elektrische kenmerken

Omdat IGBT afhankelijk is van spanning om te functioneren, hebben de apparaten slechts een kleine hoeveelheid spanning nodig die op de Gate-aansluiting wordt geleverd om de geleiding te behouden.

Elektrische kenmerken

Het is het tegenovergestelde van bipolaire vermogenstransistors, die een continue basisstroom nodig hebben in het basisgebied om verzadiging te behouden.

Tegelijkertijd is de IGBT een unidirectioneel apparaat, wat betekent dat het alleen in een "voorwaartse richting" schakelt (van de collector naar de zender).

Het is het tegenovergestelde van MOSFET's, die een bidirectioneel stroomschakelproces hebben. In praktische apparaten zijn MOSFET's regelbaar in voorwaartse richting en ongecontroleerd in omgekeerde spanning.

Houd er rekening mee dat onder dynamische omstandigheden de IGBT een vergrendelingsstroom kan ervaren wanneer het apparaat wordt uitgeschakeld. Wanneer een continue AAN-aandrijfstroom een ​​kritische waarde lijkt te overschrijden, is dit een vasthoudstroom.

Wanneer de Gate-Emitter-spanning onder de drempelspanning komt, vloeit er ook een kleine lekstroom door het apparaat. Op dit moment is de Collector-Emitter-spanning bijna gelijk aan de voedingsspanning. Daarom werkt het vierlaagse apparaat IGBT in het afsnijgebied.

IGBT-werkprincipe - toepassingen van IGBT

De IGBT is bruikbaar in kleinsignaalversterkers, net als MOSFET's en BJT's. De IGBT maakt echter het beste van beide en heeft dus een laag geleidingsverlies en een hoge schakelsnelheid.

IGBT wordt gebruikt in de meeste moderne elektronische apparaten, zoals stereosystemen, treinen, VSF's, elektrische auto's, airconditioners, enz.

IGBT versus MOSFET

Geïsoleerde Gate Bipolaire Transistors zijn het beste in hoogspanning, lage schakelfrequenties, hoge stroomconfiguraties. Omgekeerd zijn MOSFET's het beste in laagspanning, hoge schakelfrequenties en middenstroomdomeinen.

IGBT versus MOSFET

Bron:Researchgate

De IGBT is vanwege het hoge schakelverlies bruikbaar op praktische apparaten met schakelfrequenties lager dan 20 kHz.

Samenvatting

We hopen dat u nu begrijpt wat IGBT's zijn en hoe ze verschillen van MOSFET's en BJT's. Heeft u vragen of opmerkingen over de IGBT? Voel je vrij om contact met ons op te nemen!