IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor speciální polovodičová struktura IGBT se používá jako spínací tranzistor nejdůležitější součástka výkonové

Transkript

1 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor speciální polovodičová struktura IGBT se používá jako spínací tranzistor nejdůležitější součástka výkonové elektroniky chová se jako bipolární tranzistor řízený unipolárním tranzistorem, tedy napětím po sepnutí pracuje výstupní výkonový obvod v saturaci hlavní výhody: velké závěrné napětí, malý úbytek napětí (a ztráty) ve vodivém stavu mezní parametry: jednotky ka, jednotky kv, spínací f desítky khz v jedné struktuře (vlevo značka) se skrývá unipolární tranzistor s indukovaným kanálem N, bipolární tranzistor PNP a (bohužel) také parazitní tranzistor NPN (červeně) a nežádoucí odpor R S (modře)

2 bipolární tranzistor PNP se spíná záporným proudem báze B, tedy vlastně tekoucím z B tento proud teče z B do E po otevření unipolárního tranzistoru kladným napětím na G na obrázku je označen proud elektronů (hnědé šipky) a proud děr (černé) přechodový odpor R S (kontakt) mezi S a C musí být co nejmenší jinak by sepnul parazitní tranzistor NPN a IGBT by nešel vypnout kolektor C tranzistoru PNP je vlastně emitorem E IGBT a emitor E PNP kolektorem C proto se někdy C IGBT označuje jako A (anoda) a E jako K (katoda)

3 Zapojení IGBT typický je modul v trojfázovém můstkovém spojení každý IGBT je opatřen zpětnou diodou, která se otevírá vždy, když je z různých důvodů třeba, aby proud opačným směrem používá se např. v elektrických pohonech jako aktivní usměrňovač nebo střídač Výstupní charakteristiky podobají se bipolárním tranzistorům společným rysem se posunutí počátku o 0,7 V (offset) úbytek napětí v sepnutém stavu (při saturaci) závisí na I C i U GS a bývá několik V

4 Tyristor - čtyřvrstvá spínací součástka; je několik druhů. Zpětně závěrný tyristor (klasický) struktura: obvykle PNPN, 3 přechody J1, J2, J3 vývody A (anoda), K (katoda), G (gate) tři pracovní režimy blokovací: U AK = U T > 0, přechod J2 uzavřen, I A = I T 0 závěrný: U AK = U R < 0, přechody J1, J3 uzavřeny, I R 0 propustný: U AK > 0, U GK > 0, I G > 0 přivedením kladného napětí na G proti K se otevře přechod J3 a vznikne proud I G elektrony proudí z K do G a zaplaví i přechod J2 tam na ně působí také kladnější napětí od A elektrony překonají J2 a postupují přes otevřený J1 k A tento proud elektronů vyvolá proud děr v opačném směru v důsledku toho se dále zesílí proud elektronů vznikne tak kladná zpětná vazba a teče proud I A = I T I T teče i po odebrání řídicího proudu I G I T je omezen prakticky jen odporem vnějšího obvodu úbytek napětí v propustném směru je 1,5 2,5 V

5 voltampérové charakteristiky blokovací a závěrná část je podobná, připomíná diodu zapnutí - z blokovací na propustnou část se přejde po přivedení I G dostatečné velikosti postačuje jen impuls I G, tyristor pak zůstává sepnutý, pokud vznikne v anodovém obvodu proud alespoň I L přídržný (latching) pracovní bod se dostane na propustnou větev do bodu, který odpovídá parametrům obvodu vypnutí - při poklesu I A pod I H - vratný (holding) přejde tyristor do blokovacího režimu I H je nepatrně menší než I L, často se v katalozích uvádí jediný údaj ostatní hodnoty (I TM, U RM, U RSM...) mají stejný význam jako u diod

6 poznámky k činnosti zapínání překročením blokovacího napětí U B0 je teoreticky možné, ale nežádoucí snížení anodového proudu I A pod hodnotu I H při vypínání tyristoru (prakticky k nule) ve střídavém obvodu ho zajistí síť- síťová komutace ve stejnosměrném obvodu se musí vyvolat protiproud - vlastní komutace fázové řízení je to řízení střední hodnoty napětí na zátěži U dav ve střídavém obvodu změnou řídicího úhlu α větší α pozdější sepnutí menší U dav průběhy napětí a proudu při odporové zátěži U dav plochy pod U dav a pod u d se rovnají

7 vlastní komutace vypínání ve stejnosměrném obvodu musí zajistit vlastní komutační obvody obvykle se vyvolá protiproud vybíjením kondenzátoru na schématu je příklad komutačního obvodu KO pro vypínání tyristoru V1, kdy se nabitý kondenzátor C vybíjí proudem I p po sepnutí tyristoru V2 na obr. vpravo je průběh napětí na zátěži 1 zapnutí V1, 2 vypnutí V1 prostřednictvím zapnutí V2 komutační obvody jsou složité, často rozměrné je výhodnější používat jiné spínací prvky (GTO, IGCT tyristory, IGBT tranzistory)

8 Další druhy tyristorů vypínací tyristor GTO (gate turn off) principiálně podobný, ale má jiné rozměry zapíná se stejně impulsem na G lze ho vypnout záporným impulsem na G přitom se z přechodu J3 odsají nosiče nábojů, ty pak nemohou překročit J2 tím se obnoví blokovací schopnost tyristor IGCT (integrated gate commutated thyristor) je podobný GTO má extrémně rychlé vypínací a zapínací časy používá se ve výkonové elektronice, kde konkuruje IGBT Použití tyristorů řízené usměrňovače, stejnosměrné pulsní měniče Obrázek vpravo: diskrétní součástka s vývody tyristor v kotoučovém, tzv. pastilkovém pouzdře

9 Triak - vícevrstvá spínací součástka; lze ho chápat jako obousměrný tyristor. Triac Triode Alternating Current Switch základní strukturu tvoří dva antiparalelně zapojené tyristory (na obr. Ty1 a Ty2) se společnou řídicí elektrodou elektrody se označují A1, A2 a G při obou polaritách U A1A2 je vždy jeden z dílčích tyristorů v blokovacím a druhý v propustném režimu struktura triaku umožňuje zapínání kladným i záporným impulsem na G proti A1 při obou polaritách napětí U A1A2 voltampérové charakteristiky jsou v 1. a 3. kvadrantu symetrické

10 Voltampérové charakteristiky podobají se tyristoru, mají blokovací a propustnou část jsou v 1. a 3. kvadrantu symetrické

11 Fázové řízení provádí se podobně jako u tyristoru, avšak při obou polaritách napětí zdroje triak se užívá pouze ve střídavých obvodech, komutace je tedy síťová s rostoucím řídicím úhlem α se zmenšuje efektivní hodnota střídavého napětí pozor střední hodnota napětí je nulová na obr. jsou průběhy napětí a proudu při fázovém řízení a odporové zátěži u napětí střídavého zdroje u d napětí na zátěži u A1A2 napětí na triaku i A proud triaku Použití triaků řízení efektivní hodnoty napětí ve střídavých obvodech, ale pouze pro menší výkony triakové regulátory jsou velmi rozšířené (regulace tepelných spotřebičů, komutátorových střídavých motorů apod.)