Модуль IGBT

Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи.

Полупроводниковый ключ – один из самых важных элементов силовой электроники. На их базе строятся практически все бестрансформаторные преобразователи тока и напряжения, инверторы, частотные преобразователи.

Применение электронных ключей позволяет упростить схему преобразователей, значительно уменьшить габариты устройств, улучшить технические характеристики.

Основные характеристики полупроводниковых коммутаторов:

• Ток или напряжение управления.
• Номинальное напряжение и ток силового канала.
• Сопротивление канала.
• Допустимая частота переключений.
• Статические и динамические потери.

В схемах преобразователей используют двухоперационные тиристоры с управляющими электродами (GTO и IGCT), силовые биполярные (БП) и полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Первые силовые электронные устройства были выполнены на базе тиристоров и биполярных транзисторов. Первые при всех своих достоинствах не могут обеспечить необходимое быстродействие, управляемые тиристоры используют в среднечастотной области.

Применение биполярных транзисторов существенно ограничивает невысокий коэффициент передачи тока, значительный температурный разброс этого параметра, управление знакопеременным напряжением, невысокая плотность тока силовой цепи.

В схемы с биполярными транзисторами приходится включать дополнительные цепи, обеспечивающие управление и защиту полупроводниковых элементов. Это существенно увеличивает стоимость преобразователей и усложняет их производство.

Основные полупроводниковые элементы силовой электроники сейчас – полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

MOSFET-транзисторы применяются в основном в высокочастотных низковольтных преобразователях, область применения IGBT – мощные высоковольтные схемы.

Конструкция и принцип работы силовых транзисторов

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или биполярный силовой транзистор с изолированным затвором – элемент из двух транзисторов в общей полупроводниковой структуре, устроенный по каскадной схеме. Биполярный транзистор образует силовой канал, полевой – канал управления. Объединение полупроводниковых элементов реализовано структурой элементных ячеек в одном кристалле.

Упрощенная эквивалентная схема биполярных транзисторов с изолированным затвором представлена на рисунке:

Полупроводниковые приборы IGBT сочетают достоинства силовых биполярных и полевых транзисторов с изолированным затвором:

• Небольшая мощность управления.
• Высокая скорость переключения.
• Маленькие потери при открытом транзисторе.
• Высокое номинальное напряжение силового канала.

Сопротивление канала IGBT-элементов растет пропорционально току, зависимость потерь от величины тока не квадратичная, как у транзисторов MOSFET. Быстродействие силовых элементов с изолированным затвором превосходит скорость коммутации биполярных транзисторов, но уступает элементам MOSFET.

Структура IGBT представлена на рисунке. В области стока нанесен еще один дополнительный p+-слой, который образует биполярный транзистор.

При закрытом ключе, напряжение приложено к n–-слою. При подаче на изолированный затвор управляющего напряжения, область р образует открытый канал, включая полевой транзистор, который в свою очередь отпирает биполярный p-n-p элемент. Между внешним коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока полевой ячейки усиливается. При открытой биполярной ячейке, остаточное напряжение в n–-области падает еще благодаря потокам электронов и дырок.

Напряжение на включенном транзисторе определяется из выражения:

Падение напряжения на открытом IGBT зависит от температуры гораздо меньше аналогичного параметра MOSFET-транзисторов. На рисунке приведен график падения напряжения в функции температуры для 2 IGBT транзисторов и одного полевого прибора.

Как и биполярные транзисторы, IGBT способны накапливать заряд, который является причиной остаточного тока и нагрева прибора при запирании. Между электродами и переходами полевой и биполярной элементной ячейки образуются паразитные емкости. Время рассасывания заряда для IGBT прибора составляет всего 0,2-1,5 мкс, при коммутации с частотой 10-20 кГц для надежной работы транзисторов не нужно включать в схему дополнительные цепи.

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:

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.

Модули IGBT

Для снижения количества внешних элементов выпускают модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты.

Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей.

Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для одного транзистора, можно подключать модули параллельно.

В этом случае выбирают транзисторы IGBT с одинаковым пороговым напряжением во включенном состоянии. Разница в параметрах приводит к несимметричному току на транзисторах. При параллельном включении также учитывают увеличившуюся входную емкость, драйвер управления должен обеспечить заданную скорость коммутации.

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.

• 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.

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.

Длительность импульсов напряжения выхода драйвера должна быть меньше времени коммутации транзисторов в 5-10 раз.

Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь. Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей.

Напряжение запирания должно обеспечивать гарантированное отключение IGBT при любых условиях.

Для уменьшения помех необходимо подключать драйвер к модулю витой парой или устанавливать плату на контакты управления модулем.

Схема электропитания организовывается следующим образом: вначале напряжение подается на драйвер, затем на модуль.

Для предотвращения эффекта «защелкивания» паразитной p-n-p-n структуры, образуемой модулем и выходным каскадом микросхемы управления, исток биполярной ячейки, общий выход драйвера и отрицательную клемму сглаживающего фильтра присоединяют на общую шину.

Защита и охлаждение IGBT

Для ограничения перенапряжений при переключении транзисторов используют RC- и RCD-фильтры, включаемые в силовую цепь.

Для снижения больших перенапряжений при переключениях используют настройки драйвера: напряжение на выходе управляющего устройства должно снижаться меньше, чем в обычных условиях работы модуля и выключение электронных ключей в 2 этапа. На первом в цепь затвор-эмиттер включается резистор, затем, при достижении номинального значения тока коллектора, модуль резко отключается.

Для снижения выравнивающих токов в цепи эмиттера ставят резистор номиналом до 0,1 от эквивалентного сопротивления транзистора.

При большой разнице в задержке переключения, применяют индуктивности для равномерного распределения тока в транзисторах. Их параметры рассчитывают по формуле:

Где U – напряжение на шине, ∆I – отклонение от среднего значения тока, Dt – разность времени переключения.

Для борьбы с токами короткого замыкания в цепь «затвор – эмиттер» включают защиту.

Это предотвратит увеличение напряжения при резком скачке тока и выход полупроводникового устройства из режима насыщения.

При транспортировке, монтаже и эксплуатации IGBT должна учитываться чувствительность модулей к статическим зарядам. Для исключения пробоя электростатическим напряжением в цепь «затвор-эмиттер» включают сопротивление на 10-20 кОм. При транспортировке и хранении выводы затвора и эмиттера заворачивают перемычками, которые не снимают до монтажа. Работы по установке необходимо проводить в антистатических браслетах. Инструменты и измерительные приборы также необходимо заземлить.

При разработке преобразователей на базе IGBT модулей требуется предусмотреть эффективное охлаждение. Для теплового расчета применяется эквивалентная схема устройства:

Расчет осуществляется по формуле:

где РП – мощность потерь полупроводникового прибора, Rt h( р ) – тепловое сопротивление проводящего материала.

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.

 Заключение

Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором обладают:

• Высоким входным сопротивлением.
• Низким остаточным напряжением в открытом состоянии.
• Малыми потерями при высоких токах и напряжениях.

  

Полупроводниковые устройства могут применяться при напряжении 10 кВ и коммутации токов до 1200 А. На базе IGBT производят частотные преобразователи для электроприводов, бестрансформаторные конверторы и инверторы, сварочное оборудование, регуляторы тока для мощных приводов.

В области частот 10-20 кГц ключи на транзисторах GBT значительно превосходят устройства на полупроводниковых приборах других типов.