ما هو IGBT: العمل ، تبديل الخصائص ، SOA ، بوابة المقاومة ، الصيغ

IGBT تعني معزول - بوابة - ثنائي القطب - الترانزستور ، وهو أحد أشباه الموصلات الكهربائية التي تشمل ميزات MOSFET السرعة العالية ، وتبديل البوابة المعتمد على الجهد ، والحد الأدنى من مقاومة التشغيل (جهد تشبع منخفض) خصائص أ BJT .

يعرض الشكل 1 دائرة مكافئة لـ IGBT ، حيث يعمل الترانزستور ثنائي القطب مع مهندس بوابة MOS ، في حين أن دائرة IGBT المماثلة هي في الواقع مزيج من ترانزستور MOS وترانزستور ثنائي القطب.

يتم استخدام IGBTs ، وسرعة التحويل السريعة الواعدة إلى جانب الحد الأدنى من خصائص جهد التشبع ، في نطاق واسع ، من التطبيقات التجارية مثل وحدات تسخير الطاقة الشمسية وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) ، إلى المجالات الإلكترونية الاستهلاكية ، مثل التحكم في درجة الحرارة لـ مواقد التسخين بالحث ، معدات تكييف الهواء PFC ، والعاكسات ، والكاميرا ستروبوسكوب.

يوضح الشكل 2 أدناه تقييمًا بين المخططات والسمات الداخلية لـ IGBT والترانزستور ثنائي القطب و MOSFET. الإطار الأساسي لـ IGBT هو نفسه إطار MOSFET الذي يحتوي على طبقة p + موضوعة في قسم التصريف (المجمع) ، وأيضًا تقاطع pn إضافي.

نتيجة لهذا ، كلما تميل حاملات الأقلية (الثقوب) إلى أن يتم إدخالها من خلال الطبقة p + إلى الطبقة n مع تعديل الموصلية ، تنخفض مقاومة الطبقة n بشكل كبير.

وبالتالي ، فإن IGBT يوفر تخفيض جهد التشبع (مقاومة تشغيل أصغر) مقارنةً بـ MOSFET عند التعامل مع تيار ضخم ، مما يتيح الحد الأدنى من خسائر التوصيل.

بعد قولي هذا ، مع الأخذ في الاعتبار أنه بالنسبة لمسار تدفق الإخراج للثقوب ، يُحظر تراكم ناقلات الأقلية في فترات إيقاف التشغيل بسبب تصميم IGBT الخاص.

يؤدي هذا الوضع إلى ظهور ظاهرة تعرف باسم تيار الذيل ، حيث يتم إبطاء إيقاف التشغيل. عندما يتطور تيار الذيل ، تتأخر فترة التبديل وتتأخر ، أكثر من فترة MOSFET ، مما يؤدي إلى زيادة خسائر وقت التبديل ، خلال فترات إيقاف تشغيل IGBT.

الحد الأقصى لالتقييمات المطلقة

المواصفات القصوى المطلقة هي القيم المخصصة لضمان التطبيق الآمن والسليم لـ IGBT.

قد يؤدي تجاوز هذه القيم القصوى المطلقة المحددة حتى ولو للحظات إلى تدمير الجهاز أو تعطله ، لذلك يرجى التأكد من العمل مع IGBTs داخل الحد الأقصى من التصنيفات المسموح بها على النحو المقترح أدناه.

رؤى التطبيق

حتى إذا تم الحفاظ على معلمات التطبيق الموصى بها مثل درجة حرارة العمل / التيار / الجهد وما إلى ذلك ضمن المعدلات القصوى المطلقة ، في حالة تعرض IGBT بشكل متكرر لحمل زائد (درجة حرارة قصوى ، مصدر تيار / جهد كبير ، تقلبات شديدة في درجات الحرارة ، إلخ) قد تتأثر متانة الجهاز بشدة.

الخصائص الكهربائية

تُطلعنا البيانات التالية على المصطلحات والمعايير المختلفة المتضمنة في IGBT ، والتي تُستخدم عادة لشرح وفهم عمل IGBT بالتفصيل.

تيار المجمع ، تبديد المجمع : يوضح الشكل 3 شكل موجة درجة حرارة تبديد المجمع لـ IGBT RBN40H125S1FPQ. يتم عرض الحد الأقصى المسموح به من تبديد المجمع لدرجات حرارة مختلفة للحالة.

تصبح الصيغة الموضحة أدناه قابلة للتطبيق في الحالات التي تكون فيها درجة الحرارة المحيطة TC = 25 درجة مئوية أو أكثر.

الكمبيوتر = (Tjmax - Tc) / Rth (j - c)

بالنسبة للظروف التي تكون فيها درجة الحرارة المحيطة TC = 25 ℃ أو أقل ، يتم تطبيق تبديد مجمع IGBT وفقًا لتصنيفها الأقصى المطلق.

الصيغة لحساب تيار المجمع لـ IGBT هي:

Ic = (Tjmax - Tc) / Rth (j - c) × VCE (سات)

ومع ذلك ، ما ورد أعلاه هو الصيغة العامة ، هو ببساطة حساب يعتمد على درجة حرارة الجهاز.

يتم تحديد تيار المجمع لـ IGBT من خلال جهد تشبع المجمع / الباعث VCE (جلس) ، وكذلك اعتمادًا على ظروف درجة الحرارة والتيار.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحديد تيار المجمع (الذروة) لـ IGBT بمقدار التيار الذي يمكنه التعامل معه والذي بدوره يعتمد على طريقة تثبيته وموثوقيته.

لهذا السبب ، يُنصح المستخدمون بعدم تجاوز الحد الأقصى المسموح به لـ IGBTs أثناء استخدامها في تطبيق دائرة معين.

من ناحية أخرى ، حتى إذا كان تيار المجمع أقل من الحد الأقصى لتصنيف الجهاز ، فقد يتم تقييده بواسطة درجة حرارة تقاطع الوحدة أو منطقة التشغيل الآمنة.

لذلك تأكد من مراعاة هذه السيناريوهات أثناء تنفيذ IGBT. عادةً ما يتم تحديد كل من المعلمات وتيار المجمع وتبديد المجمع كأقصى درجات للجهاز.

منطقة تشغيل آمنة

ال

تتكون SOA الخاصة بـ IGBT من SOA التحيز الأمامي و SOA التحيز العكسي ، ولكن نظرًا لأن نطاق القيم المعين قد يختلف وفقًا لمواصفات الجهاز ، يُنصح المستخدمون بالتحقق من الحقائق المكافئة في ورقة البيانات.

منطقة التشغيل الآمنة للانحياز إلى الأمام

يوضح الشكل 5 منطقة التشغيل الآمن للانحياز الأمامي (FBSOA) في IGBT RBN50H65T1FPQ.

يتم تقسيم SOA إلى 4 مناطق اعتمادًا على قيود معينة ، كما هو موضح أدناه:

• المنطقة مقيدة بأعلى تصنيف لجامع النبض الحالي IC (الذروة).
• منطقة مقيدة بمنطقة تبديد المجمع
• منطقة مقيدة بالتقسيم الثانوي. تذكر أن هذا النوع من العطل يتسبب في أن تصبح منطقة التشغيل الآمنة لـ IGBT أضيق ، إلا عندما يتميز الجهاز بهامش انهيار ثانوي.
• المنطقة مقيدة بأقصى مجمع للمجمع لجهد الباعث لتصنيف VCES.

منطقة التشغيل الآمنة للانحياز العكسي

يوضح الشكل 6 منطقة التشغيل الآمن للانحياز العكسي (RBSOA) في IGBT RBN50H65T1FPQ.

تعمل هذه الخاصية الخاصة وفقًا للانحياز العكسي SOA للترانزستور ثنائي القطب.

عندما يتم توفير انحياز عكسي ، والذي لا يتضمن أي تحيز ، عبر البوابة وباعث IGBT خلال فترة إيقاف تشغيله للحمل الاستقرائي ، فإننا نجد جهدًا عاليًا يتم توصيله إلى باعث المجمع IGBT.

في نفس الوقت ، يتحرك تيار كبير باستمرار نتيجة الثقب المتبقي.

بعد قولي هذا ، في هذا الأداء ، لا يمكن استخدام SOA التحيز الأمامي ، بينما يمكن استخدام SOA التحيز العكسي.

ينقسم التحيز العكسي SOA إلى منطقتين مقيدتين ، كما هو موضح في النقاط التالية في النهاية يتم إنشاء المنطقة من خلال التحقق من صحة إجراءات التشغيل الحقيقية لـ IGBT.

1. المنطقة مقيدة بأقصى تيار جامع الذروة Ic (الذروة).
2. المنطقة مقيدة بالحد الأقصى لتصنيف انهيار الجهد للمجمع والباعث VCES. لاحظ أن IGBT قد يتضرر إذا انحرف مسار عملية VCEIC المحدد بعيدًا عن مواصفات SOA للجهاز.

لذلك، أثناء تصميم دائرة قائمة على IGBT ، يجب التأكد من أن التبديد وقضايا الأداء الأخرى وفقًا للحدود الموصى بها ، ويجب أيضًا الاهتمام بالخصائص المحددة وثوابت انهيار الدائرة ذات الصلة بتسامح الانهيار.

على سبيل المثال ، يحمل التحيز العكسي SOA خاصية درجة الحرارة التي تنخفض عند درجات الحرارة القصوى ، ويتحول موضع التشغيل VCE / IC وفقًا لمقاومة بوابة IGBT Rg و جهد البوابة VGE.

لهذا السبب ، من الضروري تحديد معلمات Rg و VGE فيما يتعلق بالنظام البيئي العامل وأدنى قيمة لمقاومة البوابة أثناء فترات إيقاف التشغيل.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون دائرة snubber مفيدة للتحكم في dv / dt VCE.

الخصائص الثابتة

يوضح الشكل 7 خصائص خرج IGBT RBN40H125S1FPQ. تمثل الصورة جهد المجمع-الباعث بينما يمر تيار المجمع داخل حالة جهد بوابة عشوائية.

جهد المجمع - الباعث ، الذي يؤثر على كفاءة المعالجة الحالية والخسارة أثناء حالة التبديل ، يختلف حسب جهد البوابة ودرجة حرارة الجسم.

يجب أخذ كل هذه المعلمات في الاعتبار أثناء تصميم دائرة تشغيل IGBT.

يرتفع التيار عندما يصل VCE إلى قيم 0.7 إلى 0.8 فولت ، على الرغم من أن هذا بسبب الجهد الأمامي لتقاطع PN المجمع - الباعث PN.

يوضح الشكل 8 جهد تشبع المجمع-الباعث مقابل خصائص جهد البوابة لـ IGBt RBN40H125S1FPQ.

بشكل أساسي ، يبدأ VCE (sat) في الانخفاض مع ارتفاع جهد بواعث البوابة VGE ، على الرغم من أن التغيير اسمي بينما VGE = 15 V أو أعلى. لذلك ، يُنصح بالعمل مع جهد البوابة / الباعث VGE بحوالي 15 فولت ، كلما أمكن ذلك.

يعرض الشكل 9 خصائص تيار المجمع مقابل جهد البوابة لـ IGBT RBN40H125S1FPQ.

تعتمد خصائص IC / VGE على التغيرات في درجات الحرارة ، إلا أن منطقة جهد البوابة المنخفض باتجاه نقطة التقاطع ، تميل إلى أن تكون معامل درجة حرارة سالبة ، بينما تشير منطقة الجهد العالي للبوابة إلى معاملات درجة حرارة موجبة.

بالنظر إلى أن الطاقة IGBTs ستولد الحرارة أثناء التشغيل ، فمن الأفضل في الواقع الانتباه إلى منطقة معامل درجة الحرارة الإيجابية بشكل خاص عندما تعمل الأجهزة بالتوازي .

ال أوصت حالة الجهد البوابة باستخدام VGE = 15V يعرض خصائص درجة الحرارة الإيجابية.

يوضح الشكلان 10 و 11 كيفية أداء جهد تشبع المجمع-الباعث ، جنبًا إلى جنب مع جهد عتبة البوابة
من IGBT تعتمد على درجة الحرارة.

نظرًا لحقيقة أن جهد تشبع المجمع-الباعث يتميز بخصائص معامل درجة حرارة موجبة ، فليس من السهل أن يمر التيار بينما تعمل عملية IGBT على تبديد قدر كبير من درجة الحرارة ، والتي تصبح مسؤولة عن منع التيار الفعال أثناء تشغيل IGBT الموازي.

على العكس من ذلك ، فإن تشغيل جهد عتبة بواعث البوابة يعتمد على خصائص درجة الحرارة السلبية.

أثناء تبديد الحرارة المرتفع ، ينخفض ​​جهد العتبة إلى أسفل ، مما يتسبب في احتمال أكبر لخلل في الجهاز الناتجة عن توليد الضوضاء.

لذلك ، قد يكون الاختبار الواعي ، الذي يتمحور حول الخصائص المحددة أعلاه ، أمرًا بالغ الأهمية.

خصائص سعة البوابة

خصائص الشحن: يوضح الشكل 12 خصائص شحنة البوابة لجهاز Stabdard IGBT.

تتوافق خصائص بوابة IGBT بشكل أساسي مع نفس المبادئ المطبقة على وحدات MOSFET للطاقة وتوفر كمتغيرات تحدد تيار محرك الجهاز وتبديد محرك الأقراص.

يوضح الشكل 13 المنحنى المميز ، مقسمًا إلى فترات من 1 إلى 3.
يتم شرح إجراءات العمل المتعلقة بكل فترة أدناه.

الفترة 1: يتم رفع جهد البوابة إلى عتبة الجهد حيث يبدأ التيار في التدفق.

القسم الصاعد من VGE = 0V هو الجزء المسؤول عن شحن سعة بواعث البوابة Cge.

الفترة 2: أثناء الانتقال من المنطقة النشطة إلى منطقة التشبع ، يبدأ جهد المجمع-الباعث في التغيير ويتم شحن سعة جامع البوابة Cgc.

تأتي هذه الفترة المحددة مع زيادة ملحوظة في السعة بسبب تأثير المرآة ، مما يجعل VGE ثابتًا.

من ناحية أخرى ، بينما يكون IGBT في حالة ON بالكامل ، فإن التغيير في الجهد عبر المجمع-الباعث (VCE) وتأثير المرآة يتلاشى.

الفترة 3: في هذه الفترة بالذات ، تدخل IGBT في حالة مشبعة تمامًا ولا يُظهر VCE أي تغييرات. الآن ، يبدأ جهد بواعث البوابة VGE في الزيادة مع مرور الوقت.

كيفية تحديد محرك البوابة الحالي

يعتمد تيار محرك بوابة IGBT على مقاومة سلسلة البوابة الداخلية Rg ، ومقاومة مصدر الإشارة Rs لدائرة السائق ، وعنصر rg الذي يمثل المقاومة الداخلية للجهاز ، وفولطية المحرك VGE (ON).

يتم حساب تيار محرك البوابة باستخدام الصيغة التالية.

IG (الذروة) = VGE (on) / Rg + Rs + rg

مع الأخذ في الاعتبار ما سبق ، يجب إنشاء دائرة خرج السائق IGBT لضمان وجود محرك تيار مكافئ لـ IG (ذروة) أو أكبر منه.

عادة ، يحدث أن يكون تيار الذروة أصغر من القيمة المحددة باستخدام الصيغة ، بسبب التأخير المتضمن في دائرة السائق وأيضًا التأخير في ارتفاع dIG / dt لتيار البوابة.

قد تحدث هذه بسبب جوانب مثل محاثة الأسلاك من دائرة القيادة إلى نقطة اتصال البوابة لجهاز IGBT.

بالإضافة إلى ذلك ، قد تعتمد خصائص التبديل لكل تشغيل وإيقاف بشكل كبير على Rg.

قد يؤثر هذا في النهاية على وقت التبديل وتبديل العجز. من الأهمية بمكان اختيار Rg المناسب فيما يتعلق بخصائص الجهاز قيد الاستخدام.

محرك حساب الخسارة

يمكن وصف الخسائر التي تحدث في دائرة تشغيل IGBT من خلال الصيغة الموضحة أدناه إذا تم امتصاص جميع الخسائر التي تم تطويرها من دائرة السائق بواسطة عوامل المقاومة المذكورة أعلاه. ( F يشير إلى تردد التبديل).

P (خسارة المحرك) = VGE (تشغيل) × Qg × f

تبديل الخصائص

بالنظر إلى أن IGBT هو مكون تبديل ، فإن مفتاح التشغيل الخاص به ، وسرعة إيقاف التشغيل هي من بين العوامل الرئيسية التي تؤثر على كفاءة التشغيل (الخسارة).

يوضح الشكل 16 الدائرة التي يمكن استخدامها لقياس تبديل حمل الحث لـ IGBT.

نظرًا لأنه يتم توصيل مشبك الصمام الثنائي بالتوازي مع الحمل الاستقرائي L ، فإن تأخير تشغيل IGBT (أو فقدان التشغيل) عادة ما يتأثر بخصائص وقت استرداد الصمام الثنائي.

تبديل الوقت

يمكن تصنيف وقت التبديل لـ IGBT ، كما هو موضح في الشكل 17 ، إلى 4 فترات قياس.

نظرًا لحقيقة أن الوقت يتغير بشكل كبير لكل فترة فردية فيما يتعلق بحالات Tj و IC و VCE و VGE و Rg ، يتم تقييم هذه الفترة وفقًا للشروط الموضحة التالية.

• td (on) (وقت تأخير التشغيل) : النقطة الزمنية التي يمتد منها جهد بواعث البوابة إلى 10٪ من جهد الانحياز الأمامي إلى مستوى حتى يزيد تيار المجمع إلى 10٪.
• tr (وقت الصعود) : النقطة الزمنية التي يزيد فيها تيار المجمع من 10٪ إلى 90٪.
• TD (إيقاف) (وقت تأخير إيقاف التشغيل) : النقطة الزمنية التي يصل فيها جهد بواعث البوابة إلى 90٪ من جهد الانحياز الأمامي إلى مستوى حتى ينخفض ​​تيار المجمع إلى 90٪.
• tf (وقت السقوط) : النقطة الزمنية التي ينخفض ​​منها تيار المجمع من 90٪ إلى 10٪.
• الذيل (وقت الذيل) : تتكون فترة إيقاف IGBT من وقت الذيل (الذيل). يمكن تعريف هذا على أنه الوقت الذي تستغرقه الحاملات الزائدة المتبقية على جانب جامع IGBT للتراجع من خلال إعادة التركيب على الرغم من توقف IGBT وتسبب في زيادة جهد المجمع-الباعث.

خصائص الصمام الثنائي المدمج

على عكس وحدات MOSFET ذات الطاقة ، فإن لا يتضمن IGBT الصمام الثنائي الطفيلي .

نتيجة لذلك ، يتم استخدام IGBT المتكامل الذي يأتي مع شريحة (FRD) المثبتة مسبقًا للتحكم في شحن الحث في المحركات والتطبيقات المماثلة.

في هذه الأنواع من المعدات ، تؤثر كفاءة العمل لكل من IGBT والصمام الثنائي المثبت مسبقًا بشكل كبير على كفاءة عمل المعدات وتوليد تداخل الضوضاء.

بالإضافة إلى ذلك ، يعد الاسترداد العكسي وخصائص الجهد الأمامي من العوامل الحاسمة المتعلقة بالديود المدمج.

خصائص الاسترداد العكسي للديود المدمج

يتم تفريغ ناقلات الأقلية المركزة أثناء حالة التبديل فقط عندما يمر التيار الأمامي عبر الصمام الثنائي حتى يتم الوصول إلى حالة العنصر العكسي.

يُعرف الوقت اللازم لإطلاق ناقلات الأقليات هذه بالكامل باسم وقت الاسترداد العكسي (trr).

يُطلق على التيار التشغيلي المتضمن طوال هذا الوقت اسم تيار الاسترداد العكسي (Irr) ، وتُعرف القيمة المتكاملة لكل من هاتين الفترتين باسم رسوم الاسترداد العكسي (Qrr).

ريال قطري = 1/2 (Irr x trr)

بالنظر إلى أن الفترة الزمنية trr قصيرة بشكل مكافئ ، فإنها تنطوي على خسارة كبيرة.

بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يقيد التردد طوال عملية التبديل. بشكل عام ، تعتبر trr السريعة و Irr (Qrris الصغيرة) هي الأمثل.

تعتمد هذه الصفات بشكل كبير على التحيز الأمامي الحالي IF و diF / dt ودرجة حرارة الوصلة Tj لـ IGBT.

من ناحية أخرى ، إذا زادت سرعة trr ، ينتج عن di / dt أن تكون أكثر حدة خلال فترة الاسترداد ، كما يحدث مع جهد المجمع-الباعث المقابل dv / dt ، مما يؤدي إلى زيادة الميل لتوليد الضوضاء.

فيما يلي الأمثلة التي توفر الطرق التي يمكن من خلالها مواجهة توليد الضوضاء.

1. تقليل diF / dt (تقليل وقت تشغيل IGBT).
2. قم بتضمين مكثف snubber عبر المجمع والباعث للجهاز لتقليل جهد المجمع-الباعث dv / dt.
3. استبدل الصمام الثنائي المدمج ببعض صمامات الاسترداد الناعمة.

تعتمد خاصية الاسترداد العكسي بشكل كبير على قدرة تحمل الجهد / التيار للجهاز.

يمكن تحسين هذه الميزة باستخدام إدارة العمر ، والانتشار المعدني الضخم ، وتقنيات أخرى متنوعة.

المدمج في خصائص الجهد الأمامي الصمام الثنائي

يعرض الشكل 19 خصائص خرج الصمام الثنائي المدمج في IGBT القياسي.

يشير الجهد الأمامي الأمامي VF إلى انخفاض الجهد الناتج عندما يعمل التيار IF من خلال الصمام الثنائي في اتجاه انخفاض الجهد الأمامي للديود.

نظرًا لأن هذه الخاصية قد تؤدي إلى فقد الطاقة في سياق توليد EMF الخلفي (الصمام الثنائي ذو العجلات الحرة) في المحركات أو التطبيقات الحثية ، يوصى باختيار VF الأصغر.

بالإضافة إلى ذلك ، كما هو مبين في الشكل 19 ، يتم تحديد خصائص معامل درجة الحرارة الإيجابية والسلبية من خلال الحجم الحالي الأمامي للديود IF.

خصائص المقاومة الحرارية

يوضح الشكل 20 خصائص المقاومة لـ IGBT ضد العابرين الحرارية والصمام الثنائي المتكامل.

تُستخدم هذه الخاصية لتحديد درجة حرارة الوصلة Tj لـ IGBT. يشير عرض النبضة (PW) على المحور الأفقي إلى وقت التبديل ، والذي يحدد نبضة طلقة واحدة ونتائج العمليات المتكررة.

على سبيل المثال ، PW = 1ms و D = 0.2 (دورة العمل = 20٪) تشير إلى أن تردد التكرار هو 200Hz لأن فترة التكرار هي T = 5ms.

إذا تخيلنا PW = 1ms و D = 0.2 ، وقوة التبديد Pd = 60W ، فمن الممكن تحديد الزيادة في درجة حرارة تقاطع IGBT ΔTj بالطريقة التالية:
ΔTj = Pd × θj - c (t) = 60 × 0.17 = 10.2

تحميل خصائص ماس كهربائى

التطبيقات التي تتطلب دوائر تبديل IGBT موصلة مثل المحولات ، تصبح دائرة حماية الدائرة القصيرة (التيار الزائد) ضرورية لتحمل الضرر والحماية منه خلال الوقت حتى يتم إيقاف تشغيل جهد البوابة IGBT ، حتى في حالة حدوث ماس كهربائي ناتج للوحدة .

يشير الشكل 21 و 22 إلى وقت تحمل الدائرة القصيرة وقدرة معالجة تيار الدائرة القصيرة لـ IGBT RBN40H125S1FPQ.

يتم التعبير عن هذه الدائرة القصيرة التي تتحمل قدرة IGBT بشكل شائع فيما يتعلق بالوقت tSC.

يتم تحديد هذه القدرة على التحمل بشكل أساسي على أساس جهد بواعث البوابة IGBT ودرجة حرارة الجسم وفولطية إمداد الطاقة.

يجب النظر إلى هذا أثناء تصميم تصميم دائرة IGBT هام لجسر H.

بالإضافة إلى ذلك ، تأكد من اختيار جهاز IGBT المصنف على النحو الأمثل من حيث المعلمات التالية.

1. جهد بواعث البوابة VGE : مع زيادة جهد البوابة ، يرتفع تيار الدائرة القصيرة أيضًا وتقل قدرة المعالجة الحالية للجهاز.
2. درجة حرارة العلبة : مع زيادة درجة حرارة العلبة ΔTj من IGBT ، تنخفض قدرة تحمل التيار ، حتى يصل الجهاز إلى حالة الانهيار. جهد إمداد الطاقة
3. VCC: نظرًا لأن جهد إمداد الدخل للجهاز يزيد من زيادة تيار الدائرة القصيرة أيضًا مما يؤدي إلى تدهور قدرة تحمل التيار للجهاز.

علاوة على ذلك ، أثناء اللحظة التي تستشعر فيها الدائرة القصيرة أو دائرة الحماية من الحمل الزائد تيار الدائرة القصيرة وتغلق جهد البوابة ، فإن تيار الدائرة القصيرة يكون في الواقع كبيرًا بشكل لا يصدق من الحجم الحالي التشغيلي القياسي لـ IGBT.

أثناء عملية إيقاف التشغيل باستخدام هذا التيار الكبير باستخدام مقاومة البوابة القياسية Rg ، فقد يتسبب ذلك في تطوير جهد تصاعدي كبير ، يتجاوز تصنيف IGBT.

لهذا السبب ، يجب أن تحدد بشكل مناسب مقاومة بوابة IGBT المناسبة لمعالجة ظروف الدائرة القصيرة ، مع وجود ما لا يقل عن 10 مرات أعلى من قيمة مقاومة البوابة العادية (مع ذلك تظل داخل قيمة SOA للانحياز الأمامي).

هذا من أجل مواجهة توليد الجهد الكهربائي الزائد عبر مصابيح LED الخاصة بالمجمع والباعث في IGBT خلال الفترات التي يتم فيها قطع تيار الدائرة القصيرة.

بالإضافة إلى ذلك ، قد يتسبب وقت تحمل الدائرة القصيرة tSC في توزيع الطفرة عبر الأجهزة المرتبطة الأخرى.

يجب توخي الحذر لضمان هامش مناسب لا يقل عن 2 أضعاف الإطار الزمني القياسي اللازم لدائرة حماية ماس كهربائى لبدء التشغيل.

أقصى درجة حرارة تقاطع Tjmax لـ 175

الحد الأقصى للتقييم المطلق لمعظم درجة حرارة تقاطع أجهزة أشباه الموصلات Tj هو 150 ، ولكن Tjmax = 175 تم تعيينه وفقًا لمتطلبات أجهزة الجيل الجديد من أجل تحمل مواصفات درجة الحرارة المتزايدة.
.
يعرض الجدول 3 مثالًا جيدًا لظروف الاختبار لـ IGBT RBN40H125S1FPQ المصمم لتحمل 175 درجة مئوية أثناء التشغيل في درجات حرارة عالية.

من أجل ضمان عمليات فعالة عند Tjmax = 175 ، تم تحسين العديد من المعلمات لاختبار الاتساق القياسي عند 150 وتم إجراء التحقق التشغيلي.

بعد قولي هذا ، تتنوع أسس الاختبار فيما يتعلق بمواصفات الجهاز.

تأكد من التحقق من صحة بيانات الموثوقية المتعلقة بالجهاز الذي قد تقوم بتطبيقه ، للحصول على معلومات إضافية.

تذكر أيضًا أن قيمة Tjmax ليست مجرد قيد على العمل المستمر ، بل هي أيضًا مواصفات للتنظيم لا ينبغي تجاوزه ولو للحظة.

يجب مراعاة السلامة ضد تبديد درجات الحرارة المرتفعة ، حتى للحظة وجيزة بالنسبة لـ IGBT ، أثناء التبديل بين التشغيل / الإيقاف.

تأكد من العمل مع IGBT في بيئة لا تتجاوز بأي حال من الأحوال أقصى درجة حرارة لحالة الانهيار Tj = 175 ℃.

خسائر IGBT

خسارة التوصيل: أثناء تشغيل الحمل الاستقرائي من خلال IGBT ، يتم تصنيف الخسائر المتكبدة بشكل أساسي إلى فقدان التوصيل وخسارة التحويل.

تُعرف الخسارة التي تحدث بمجرد تشغيل IGBT تمامًا باسم فقدان التوصيل ، بينما تُعرف الخسارة التي تحدث خلال وقت تبديل IGBT من ON إلى OFF أو OFF إلى ON بفقدان التبديل.

نظرًا للحقيقة ، تعتمد الخسارة على تنفيذ الجهد والتيار كما هو موضح في الصيغة أدناه ، تنشأ الخسارة نتيجة لتأثير جهد تشبع المجمع-الباعث VCE (جلس) ، حتى أثناء إجراء الجهاز.

يجب أن يكون VCE (sat) في حده الأدنى ، لأن الفقد قد يتسبب في توليد حرارة داخل IGBT.
الخسارة (P) = الجهد (V) × التيار (I)
خسارة التشغيل: P (تشغيل ON) = VCE (سات) × IC

تبديل الخسارة: نظرًا لأن خسارة IGBT يمكن أن تكون صعبة لتقديرها باستخدام وقت التبديل ، فقد تم دمج الجداول المرجعية في أوراق البيانات ذات الصلة لمساعدة مصممي الدوائر على تحديد فقدان التبديل.

يوضح الشكل 24 أدناه خصائص فقدان التبديل لـ IGBT RBN40H125S1FPQ.

تتأثر عوامل Eon و Eoff بشدة بتيار المجمع ومقاومة البوابة ودرجة حرارة التشغيل.

Eon (تشغيل فقدان الطاقة)

تم تطوير حجم الفقد أثناء عملية تشغيل IGBT للحمل الاستقرائي ، جنبًا إلى جنب مع فقدان الاسترداد عند الاسترداد العكسي للديود.

يتم حساب Eon من النقطة التي يتم فيها تشغيل جهد البوابة إلى IGBT ويبدأ تيار المجمع في السفر ، حتى النقطة الزمنية التي يتم فيها انتقال IGBT تمامًا إلى حالة التبديل ON

Eoff (إيقاف فقدان الطاقة

هو حجم الخسارة الناتجة خلال فترة إيقاف الأحمال الحثية ، والتي تشمل تيار الذيل.

يتم قياس Eoff من النقطة التي يتم فيها قطع تيار البوابة للتو ويبدأ جهد المجمع-الباعث في الصعود ، حتى النقطة الزمنية التي يصل فيها IGBT إلى حالة إيقاف التشغيل الكامل.

ملخص

جهاز الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGTB) هو نوع من أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية ثلاثية الأطراف والتي تُستخدم أساسًا كمفتاح إلكتروني وهي معروفة أيضًا بتوفيرها مزيجًا من التبديل السريع للغاية والكفاءة العالية في الأجهزة الأحدث.

IGBTs للتطبيقات الحالية العالية

تستخدم مجموعة من الأجهزة الحديثة مثل VFDs (محركات التردد Vaiable) و VSFs (ثلاجات متغيرة السرعة) والقطارات وأنظمة الاستريو مع مضخمات التبديل والسيارات الكهربائية ومكيفات الهواء تستخدم الترانزستور ثنائي القطب المعزول البوابة لتبديل الطاقة الكهربائية.

رمز وضع النضوب IGBT

في حالة استخدام مكبرات الصوت المعزولة للبوابة ثنائية القطب ، غالبًا ما تقوم بتوليف أشكال الموجة المعقدة بطبيعتها جنبًا إلى جنب مع مرشحات تمرير منخفض وتعديل عرض النبضة حيث يتم تصميم الترانزستور ثنائي القطب المعزول بالبوابة بشكل أساسي لتشغيله وإيقافه بوتيرة سريعة وسريعة.

تتفاخر الأجهزة الحديثة بمعدلات تكرار النبضات التي تتكون من تطبيق التبديل وتقع جيدًا ضمن نطاق الموجات فوق الصوتية وهو الترددات التي تزيد عشر مرات عن أعلى تردد صوت يتعامل معه الجهاز عند استخدام الأجهزة في شكل مكبر الصوت التناظري.

يتم دمج MOSFETs التي تتكون من تيار عالٍ وخصائص محرك بوابة بسيط مع الترانزستورات ثنائية القطب التي تتميز بقدرة جهد تشبع منخفض بواسطة IGTB.

IGBTs هي مزيج من BJT و Mosfet

يتم تصنيع جهاز واحد بواسطة IGBT من خلال الجمع بين ترانزستور الطاقة ثنائي القطب الذي يعمل كمفتاح وبوابة FET معزولة تعمل كمدخل تحكم.

يستخدم الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGTB) بشكل رئيسي في التطبيقات التي تتكون من عدة أجهزة يتم وضعها بالتوازي مع بعضها البعض وفي معظم الأحيان يكون لها القدرة على التعامل مع تيار عالٍ للغاية في نطاق مئات الأمبيرات جنبًا إلى جنب مع 6000 فولت من جهد الكبح ، والذي يساوي بدوره مئات الكيلوواط يستخدم طاقة متوسطة إلى عالية مثل التسخين بالحث ، وإمدادات الطاقة بتبديل الوضع ، والتحكم في محرك الجر. الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة ذات البوابة الكبيرة الحجم.

IGBTs هي أكثر الترانزستورات تقدمًا

الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGTB) هو اختراع جديد وحديث في ذلك الوقت.

تم اكتشاف أن أجهزة الجيل الأول التي تم اختراعها وإطلاقها في الثمانينيات والسنوات الأولى من التسعينيات تتسم بعملية تحويل بطيئة نسبيًا وعرضة للفشل من خلال أوضاع مختلفة مثل المزلاج (حيث سيستمر تشغيل الجهاز وعدم تشغيله إيقاف التشغيل حتى يستمر التيار في التدفق عبر الجهاز) ، والانهيار الثانوي (عندما يتدفق التيار العالي عبر الجهاز ، تنتقل نقطة اتصال محلية موجودة في الجهاز إلى هروب حراري ونتيجة لذلك تحرق الجهاز).

لوحظ الكثير من التحسن في أجهزة الجيل الثاني ومعظم الأجهزة الجديدة على الكتلة ، وتعتبر أجهزة الجيل الثالث أفضل من أجهزة الجيل الأول.

Mosfets الجديدة تتنافس مع IGBTs

تتكون أجهزة الجيل الثالث من MOSFETs ذات السرعة المتنافسة والتسامح والصلابة بمستوى ممتاز.

تتكون أجهزة الجيل الثاني والثالث من معدل نبض مرتفع للغاية مما يجعلها مفيدة جدًا لتوليد نبضات طاقة كبيرة في مجالات مختلفة مثل فيزياء البلازما والجسيمات.

وبالتالي فإن أجهزة الجيل الثاني والثالث قد حلت محل جميع الأجهزة القديمة في الغالب مثل فجوات الشرارة والثيراترونات المستخدمة في هذه المجالات من فيزياء البلازما والجسيمات.

تحظى هذه الأجهزة أيضًا بجاذبية للهواة ذوي الجهد العالي نظرًا لخصائصها ذات معدلات النبض العالية وتوافرها في السوق بأسعار منخفضة.

يتيح ذلك للهواة التحكم في كميات هائلة من الطاقة من أجل قيادة الأجهزة مثل اللثة الملفوفة وملفات تسلا.

تتوفر الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة بنطاق سعري في متناول الجميع ، وبالتالي فهي بمثابة عامل تمكين مهم للسيارات الهجينة والمركبات الكهربائية.

كياسة: رينيساس