Процессы, происходящие при коммутации IGBT транзисторов

August 12, 2013 by admin Комментировать »

Теперь рассмотрим более подробно процессы, происходящие при коммутации IGBT транзисторов, используя такую же методику, которая применялась нами для транзисторов MOSFET, то есть при условии подачи на затвор прямоугольных импульсов с высокой крутизной фронтов и спадов. Но вначале предупредим читателя, что в составе IGBT прибора также имеются паразитные межэлектродные емкости, которые «затягивают» динамические процессы (рис. 2.1.32). Далее мы увидим, что в транзисторе IGBT также действует эффект Миллера, предпосылкой к возникновению которого является емкость Cgc.

Обратимся теперь к рис. 2.1.33, на котором показана схема исследования коммутационных процессов. Эта схема аналогична приведенной для транзистора MOSFET. Результаты замеров показаны на рис. 2.1.34. При подаче от генератора управляющего импульса (рис. 2.1.34, а) через затворный резистор Rg начинает заряжаться входная емкость внутреннего полевого транзистора (рис. 2.1.34, б)у но напряжение «коллектор-эмиттер» (рис. 2.1.34, в) не уменьшается и ток в цепи «коллектор—эмиттер» пока не начинает течь.

Участок (1), носящий название времени задержки включения (turn-on delay time) продолжается до тех пор, пока напряжение Uge не достигнет напряжения открывания внутреннего полевого транзистора. На участке (2) происходит перезаряд емкости Миллера и открывание транзистора. Время, затрачиваемое на этот процесс, носит название времени нарастания (rise time). В цепи «коллектор—эмиттер» появляется ток. На участке (3) происходит заряд входной емкости до напряжения Ug, на участке (4) транзистор IGBT полностью открыт. Открытое состояние транзистора может продолжаться неограниченно долго — пока не будет подан на затвор закрывающий импульс.

Выключение транзистора (перевод в режим отсечки) начинается на участке (5), когда напряжение на затворе снижается до порогового уровня за время задержки выключения (turn-off delay time). Надеемся, что пока читатель не заметил каких-либо отличий поведения IGBT транзистора от транзистора MOSFET. Но — внимание! — сейчас эти отличия появятся. В начале участка (6), когда проявляется процесс увеличения напряжения (рис. 2.1.34, в), ток коллектора какое-то время сохраняет свое значение из-за протекания процесса рассасывания неосновных носителей, затем резко спадает почти до нуля, что занимает промежуток времени, называемый временем спада (fall time). Однако на этом процесс выключения транзистора не заканчивается, поскольку внутренние процессы рекомбинации неосновных носите-

Рис. 2.1.34. Временные диаграммы коммутационных процессов в транзисторах IGBT

лей еще продолжаются. На участках (7) и (8), показанных на рис. 2.1.34, г), наблюдается «токовый хвост», характеризуемый непериодическими колебаниями коллекторного тока.

Следует отметить, что кривые заряда затвора для транзисторов одной серии, но разных классов, примерно одинаковы, что также свидетельствует о том, что динамические свойства IGBT приборов определяются их биполярной составляющей, а не полевой. Для иллюстрации этого факта на рис. 2.1.35 приведены кривые заряда затворов транзисторов, включенных в табл. 2.1.6.

У транзисторов IGBT, как и у транзисторов MOSFET, отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисто-

Рис. 2.1.35. Кривые заряда затвора для транзисторов серии IRG4PC50

ров. Кроме того, с повышением температуры напряжение насыщения «коллектор—эмиттер» у IGBT приборов уменьшается, в то время как сопротивление канала транзисторов MOSFET растет. Перегружать IGBT транзистор по напряжению «коллектор—эмиттер» не допускается, но по току он выдерживает в среднем 5…10-кратные кратковременные (неповторяющиеся) перегрузки. Область безопасной работы IGBT приборов определяется максимальной температурой полупроводникового кристалла, типовое значение Tj которого составляет 150 °С. Область безопасной работы транзистора IGBT определяется по максимальному импульсному току коллектора (pulsed collector current) и максимальному напряжению «коллектор—эмиттер» (collector-to-emitter voltage) — при эксплуатации в пределах диапазона рабочих частот. На рис. 2.1.36 представлена область безопасной работы транзистора IRG4PC40U. Площадь под кривой обозначена как safe operating area — эта площадь и является областью допустимых режимов работы транзистора (в различных сочетаниях токов и напряжений). Хорошо видно, что IGBT транзистор выдерживает пиковые (неповторяющиеся) токовые перегрузки вплоть до предельных значений напряжения «коллектор—эмиттер».

Еще раз повторимся, что эксплуатировать IGBT транзистор определенного класса можно только в том диапазоне частот, для которого он предназначен. Точнее, использовать более высокочастотные классы на низких частотах допустимо (хотя это расточительно — чем выше класс, тем больше стоимость прибора), а вот «разгонять» медленные IGBT транзисторы не рекомендуется. Вообще, если быть до конца точными, то теоретически использовать медленный прибор на

Рис. 2.1.36. Область безопасной работы транзистора IGBT типа IRG4PC40U

высоких частотах возможно, но практически придется сильно снизить величину допустимого предельного длительного тока, и, к тому же, большая часть энергии израсходуется на потери переключения, что понизит КПД схемы. «Оно вам надо?» — как говорится…

И все же, какова нагрузочная способность IGBT приборов в различных диапазонах частот? Как точно определить, на каких частотах допускается «работать» без снижения максимального значения тока коллектора, а где придется его снизить? В технической документации на этот счет приводится график, называемый типовой зависимостью тока нагрузки от частоты (typical load current vs frequency). Для наглядности на рис. 2.1.37 данные графики объединены в одной координатной сетке для четырех классов упомянутых в этом разделе транзисторов.

Рис. 2.1.37. Сравнительные частотные характеристики IGBT транзисторов разных классов на примере IRG4PC50

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты