IGBT ТРАНЗИСТОРЫ: ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ, ПРЕИМУЩЕСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

IGBT TRANSISTORS: WORKING PRINCIPLES, BENEFITS, AND APPLICATIONS

Alexey Psarev

Student, Institute of Instrument Engineering, Automation and Information Technology, I.S. Turgenev Oryol State University,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются принципы работы IGBT транзисторов, биполярные и MOSFET структуры, на основе которых они работают и как взаимодействуют. Проведен разбор основных преимуществ и главных недостатков элемента, выделены самые важные, на взгляд автора, из них. Исследованы области применения IGBT транзисторов. Были рассмотрены будущие перспективы применения и их конкурентоспособность.

ABSTRACT

This article discusses the principles of IGBT transistors, bipolar and MOSFET structures, on the basis of which they work and how they interact. The main advantages and main disadvantages of the element are analyzed, and the most important ones, in the author's opinion, are highlighted. The fields of application of IGBT transistors are investigated. The future prospects of the application and their competitiveness were considered.

Ключевые слова: IGBT, MOSFET, биполярный, транзистор, полупроводниковый.

Keywords: IGBT, MOSFET, bipolar, transistor, semiconductor.

Введение

IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) — это полупроводниковое устройство, которое сочетает в себе преимущества как биполярного транзистора (BJT), так и полевого транзистора (MOSFET). IGBT является важным элементом в области силовой электроники и используется для управления большими токами и напряжениями. Эти транзисторы нашли широкое применение в таких устройствах, как инверторы, источники бесперебойного питания, электроприводы и системы преобразования энергии.

1.Основная часть

IGBT транзистор [1] представляет собой устройство с четырьмя слоями полупроводников (p-n-p-n) и тремя электродами: коллектором (C), эмиттером (E) и затвором (G). По своей структуре и принципу работы IGBT совмещает элементы как MOSFET, так и BJT. Сначала стоит рассмотреть, как эти элементы взаимодействуют в устройстве:

1. MOSFET структура - IGBT использует технологию управления затвором, как и MOSFET [2], что позволяет обеспечивать управление с помощью низкого напряжения на затворе. Это даёт IGBT преимущество в простоте управления, так как для его включения не требуется значительных токов на затворе.
2. Биполярная структура - в IGBT также имеется биполярная структура (с p-n переходами), которая позволяет устройству работать с большими токами и напряжениями, как у обычных биполярных транзисторов [3]. Когда транзистор включен, ток течет через коллектор и эмиттер, и для его проведения необходимы меньшие потери энергии по сравнению с MOSFET.

Таким образом, IGBT обладает преимуществами обоих типов транзисторов: высокой проводимостью при включении (как у BJT) и возможностью управления с помощью небольшого напряжения на затворе (как у MOSFET).

Рассмотрим основные преимущества IGBT транзисторов:

1. Высокая эффективность при высоких токах и напряжениях - IGBT способен работать с большими токами и высокими напряжениями (до нескольких киловольт), что делает его идеальным для силовых приложений, таких как управление электродвигателями и преобразование энергии.
2. Малое управление затвором - одним из главных преимуществ IGBT является способность управлять им с помощью низкого напряжения на затворе (обычно 10-15 В). Это упрощает схемотехнику и снижает требования к драйверам.
3. Высокая скорость переключения - хотя IGBT не так быстр, как MOSFET, он все же обладает достаточно высокой скоростью переключения для большинства применений в силовой электронике.
4. Низкие потери на включение: Когда транзистор включен, потери на включение (сопротивление насыщения) невелики, что способствует улучшению общей эффективности устройства.

Областями применения IGBT являются:

1. Электроприводы и двигатели. IGBT широко используются в системах управления электродвигателями, таких как в приводах переменного тока для промышленного оборудования, насосов, вентиляторов и лифтов. ИGBT позволяет эффективно управлять мощностью и уменьшать потери при преобразовании энергии.
2. Силовые инверторы и источники бесперебойного питания (ИБП). В устройствах преобразования переменного тока в постоянный (или наоборот) IGBT транзисторы играют ключевую роль, обеспечивая высокую эффективность при преобразовании энергии.
3. Системы солнечных и ветровых электростанций. В системах возобновляемых источников энергии IGBT транзисторы используются в инверторах для преобразования энергии, полученной от солнечных батарей или ветрогенераторов, в электроэнергию, подходящую для использования в сети.
4. Электрические автомобили. В электромобилях IGBT используются для управления зарядом батареи, а также в системах привода для обеспечения высокоэффективного преобразования энергии.
5. Рельсовый транспорт. В поездах и трамваях IGBT обеспечивают высокоэффективное преобразование энергии, необходимое для работы системы тяги.

Главные недостатки IGBT транзисторов заключаются в следующем:

1. Проблемы с переключением на высоких частотах. Хотя IGBT транзисторы достаточно эффективны, они не могут работать на столь высоких частотах переключения, как MOSFET транзисторы, что ограничивает их использование в некоторых высокочастотных приложениях.
2. Потери на переключении. При переключении из состояния "включено" в состояние "выключено" IGBT могут испытывать потери энергии, что может снижать общую эффективность устройства при высоких рабочих частотах.
3. Температурный режим IGBT имеют высокие требования к тепловому режиму. Для их эффективной работы необходимы хорошие системы охлаждения, так как избыточное тепло может привести к повреждению транзистора.

Заключение

Хотя IGBT остаются важными компонентами в силовой электронике, новые технологии и разработки, такие как широкозонные полупроводниковые материалы (например, карбид кремния — SiC и нитрид галлия — GaN), постепенно начинают конкурировать с ними в некоторых областях. Эти материалы предлагают лучшую производительность при высоких температурах и более быстрые скорости переключения. Однако на данный момент IGBT остаются оптимальным выбором для большинства приложений, где требуется управление высокими токами и напряжениями.

IGBT транзисторы — это важнейшие компоненты в современном мире силовой электроники. Их способность эффективно управлять высокими токами и напряжениями с относительно простым управлением делает их незаменимыми в широком спектре приложений. С развитием технологий и материалов в будущем мы, возможно, увидим новые альтернативы IGBT, но в ближайшие годы они продолжат занимать центральное место в силовой электронике.

Список литературы:

1. B. Jayant Baliga – "Fundamentals of Power Semiconductor Devices" (2008) URL: https://scispace.com/pdf/fundamentals-of-power-semiconductor-devices-4zwu5k6gt9.pdf
2. Steffen Bernet – "Recent Developments of High Power Converters for Industry and Traction Applications" (IEEE Transactions on Power Electronics, 2019) URL: https://www.researchgate.net/publication/3280048_Recent_developments_of_high_power_converters_for_industry_and_traction_applications
3. Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и параметры. URL: https://www.radioelementy.ru/articles/bipolyarnye-tranzistory/?ysclid=m546ku7ij4715459925