bóng bán dẫn IGBT
Các bóng bán dẫn lưỡng cực có cổng cách ly là một loại thiết bị hoạt động mới xuất hiện tương đối gần đây. Đặc tính đầu vào của nó tương tự như đặc tính đầu vào của bóng bán dẫn hiệu ứng trường và đặc tính đầu ra của nó tương tự như đặc tính đầu ra của lưỡng cực.
Trong tài liệu, thiết bị này được gọi là IGBT (Bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện)... Về tốc độ, nó vượt trội hơn hẳn bóng bán dẫn lưỡng cực... Thông thường, các bóng bán dẫn IGBT được sử dụng làm công tắc nguồn, trong đó thời gian bật là 0,2 — 0,4 μs và thời gian tắt là 0,2 — 1,5 μs, điện áp chuyển mạch đạt 3,5 kV và dòng điện là 1200 A .
Các bóng bán dẫn IGBT-T thay thế thyristor từ các mạch chuyển đổi điện áp cao và có thể tạo ra các nguồn cung cấp năng lượng thứ cấp xung với các đặc tính tốt hơn về chất lượng. Các bóng bán dẫn IGBT-T được sử dụng rộng rãi trong các bộ biến tần để điều khiển động cơ điện, trong các hệ thống điện liên tục công suất cao với điện áp trên 1 kV và dòng điện hàng trăm ampe.Ở một mức độ nào đó, điều này là do ở trạng thái bật ở dòng điện hàng trăm ampe, điện áp rơi trên bóng bán dẫn nằm trong khoảng 1,5 - 3,5V.
Như có thể thấy từ cấu trúc của bóng bán dẫn IGBT (Hình 1), đây là một thiết bị khá phức tạp, trong đó bóng bán dẫn pn-p được điều khiển bởi bóng bán dẫn MOS kênh n.
Bộ thu của bóng bán dẫn IGBT (Hình 2, a) là bộ phát của bóng bán dẫn VT4. Khi một điện áp dương được đặt vào cổng, bóng bán dẫn VT1 có một kênh dẫn điện. Thông qua nó, bộ phát của bóng bán dẫn IGBT (bộ thu của bóng bán dẫn VT4) được kết nối với đế của bóng bán dẫn VT4.
Điều này dẫn đến thực tế là nó được mở khóa hoàn toàn và điện áp rơi giữa bộ thu của bóng bán dẫn IGBT và bộ phát của nó bằng với điện áp rơi trong điểm nối bộ phát của bóng bán dẫn VT4, cộng với điện áp rơi Usi trên bóng bán dẫn VT1.
Do thực tế là điện áp rơi trong đường giao nhau p - n giảm khi nhiệt độ tăng, điện áp rơi trong bóng bán dẫn IGBT không khóa trong một phạm vi dòng điện nhất định có hệ số nhiệt độ âm, trở nên dương ở dòng điện cao. Do đó, điện áp rơi trên IGBT không giảm xuống dưới điện áp ngưỡng của đi-ốt (bộ phát VT4).
Cơm. 2. Mạch tương đương của bóng bán dẫn IGBT (a) và ký hiệu của nó trong tài liệu bản địa (b) và nước ngoài (c)
Khi điện áp đặt vào bóng bán dẫn IGBT tăng lên, dòng kênh tăng lên, điều này xác định dòng cơ bản của bóng bán dẫn VT4, trong khi điện áp rơi trên bóng bán dẫn IGBT giảm.
Khi bóng bán dẫn VT1 bị khóa, dòng điện của bóng bán dẫn VT4 trở nên nhỏ, điều này có thể coi như nó bị khóa. Các lớp bổ sung được giới thiệu để vô hiệu hóa các chế độ hoạt động điển hình của thyristor khi xảy ra sự cố tuyết lở. Lớp đệm n + và vùng cơ sở rộng n– giúp giảm mức tăng hiện tại của bóng bán dẫn p — n — p.
Bức tranh chung về bật và tắt khá phức tạp, vì có những thay đổi về tính linh động của các hạt mang điện, hệ số truyền dòng điện trong các bóng bán dẫn p - n - p và n - p - n có trong cấu trúc, thay đổi điện trở của các vùng, v.v. Mặc dù về nguyên tắc, các bóng bán dẫn IGBT có thể được sử dụng để hoạt động ở chế độ tuyến tính, trong khi chúng chủ yếu được sử dụng ở chế độ phím.
Trong trường hợp này, những thay đổi trong điện áp công tắc được đặc trưng bởi các đường cong thể hiện trong Hình.
Cơm. 3. Thay đổi điện áp rơi Uke và dòng điện Ic của transistor IGBT
Cơm. 4. Sơ đồ tương đương của bóng bán dẫn loại IGBT (a) và đặc tính dòng điện-điện áp của nó (b)
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng đối với hầu hết các bóng bán dẫn IGBT, thời gian bật và tắt không vượt quá 0,5 — 1,0 μs. Để giảm số lượng các thành phần bên ngoài bổ sung, các bóng bán dẫn IGBT được đưa vào điốt hoặc các mô-đun bao gồm một số thành phần được sản xuất (Hình 5, a - d).
Cơm. 5. Ký hiệu của các mô-đun IGBT-bóng bán dẫn: a — MTKID; b—MTKI; c — M2TKI; d — MDTKI
Các ký hiệu của bóng bán dẫn IGBT bao gồm: chữ M — mô-đun không có tiềm năng (cơ sở được cách ly); 2 — số phím; chữ TCI — lưỡng cực có vỏ cách điện; DTKI — Đi-ốt / Transistor lưỡng cực có cổng cách ly; TCID — Bóng bán dẫn lưỡng cực / Đi-ốt cổng biệt lập; các số: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — dòng điện tối đa; các số: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — điện áp tối đa giữa cực thu và cực phát Uke (* 100V). Ví dụ: mô-đun MTKID-75-17 có UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Tiến sĩ khoa học kỹ thuật, giáo sư L.A. Potapov