Tranzistory IGBT
(1 509)Tranzistory IGBT neboli bipolární tranzistory s izolovaným hradlem patří do skupiny polovodičových prvků. Používají se k regulaci silnoproudů, tedy vysokého napětí a / nebo proudu. Díky svým vlastnostem a nesporným výhodám se IGBT tranzistory používají mimo jiné ve střídačích, tedy zařízeních, která jsou napájena stejnosměrným proudem, ale na svém výstupu generují střídavý proud s řízenou frekvencí. IGBT se také používají v jiných elektroenergetických zařízeních (jako jsou měniče, usměrňovače, svařovací stroje), ale používají se také v audio zesilovačích nebo elektrických automobilech. Uvedené příklady představují jen některé z možných aplikací těchto mimořádně užitečných elektronických prvků.
Konstrukce a vlastnosti tranzistorů IGBT
Tranzistory IGBT jsou elektronické prvky se třemi vývody, které mají stejně jako běžné bipolární tranzistory kolektor a emitor, ale místo báze jsou tranzistory IGBT vybaveny hradlem, což je svorka shodná s unipolárními tranzistory, jako jsou MOSFETy. Abychom snadno pochopili, jak fungují, je třeba se podívat na náhradní schéma takového prvku, které můžeme nazvat jeho vnitřním schématem. Jsou na něm zobrazeny zapojené tranzistory: bipolární tranzistor typu PNP a unipolární tranzistor MOSFET s kanálem typu N. Odtok tranzistoru MOSFET je připojen k bázi bipolárního tranzistoru, zatímco hradlo unipolárního tranzistoru a kolektor a emitor bipolárního tranzistoru jsou vyvedeny ven.
Konstrukce tranzistoru IGBT umožňuje kombinovat výhody unipolárních a bipolárních tranzistorů. První je snadné ovládání přivedením na hradlo příslušné hodnoty napětí vzhledem k emitoru (cca 4... 8 V). Druhou výhodou je schopnost vést proudy s vysokou intenzitou. Tranzistory IGBT se vyznačují především extrémně vysokou hodnotou jmenovitého napětí mezi kolektorem a emitorem, a to až 6 kV. Umožňují také ovládat proud s velkou intenzitou v řádu několika set ampérů.
I přes nesporné výhody vyžadují tyto prvky poměrně vysokou proudovou účinnost zařízení, která je ovládají. To souvisí s nutností rychlého přebití kapacity hradla tranzistoru IGBT při jeho spínání na vysoké frekvenci. Tento proud může v pulsu dosáhnout i několika ampérů. I tak je to stále nižší hodnota, než by bylo potřeba pro řízení bipolárních tranzistorů s podobnými parametry. Frekvence spínacího proudu pomocí tranzistorů IGBT (při použití vhodného ovládání) může dosáhnout hodnot až cca 30 kHz.
Výhodou tranzistorů IGBT oproti běžně používaným tranzistorům MOSFET je mnohem nižší úbytek napětí při vedení. V tom druhém případě je stejně malý, a proto se tranzistory MOSFET často používají k ovládání různých spotřebičů, např. LED lišt. Nicméně při vedení proudů s velkou intenzitou však může jejich vnitřní odpor způsobit velké poklesy napětí a uvolnění stejně vysokého výkonu v podobě tepla. Poklesy napětí na tranzistorech IGBT jsou mnohem nižší, protože proud, který jimi protéká, je bipolární.
Tranzistory IGBT poskytují relativně rychlé spínání proudových obvodů, ale ve srovnání s tranzistory MOSFET je proud protékající součástkou sepnut po delší době. Snížením napětí hradla tranzistoru IGBT jej okamžitě nevypnete, což se někdy pojmenovává jako „proudový ocas“. Tento jev také ovlivňuje omezení provozní frekvence takového prvku ve specifickém elektronickém systému.
Jako téměř všechny ostatní elektronické součástky, se tranzistory IGBT dodávají ve dvou základních variantách, tedy pro povrchovou montáž (SMD) a osazování plošných spojů (THT). Mohou se také vyskytovat jako moduly, tedy systémy několika tranzistorů IGBT zapojených paralelně s dalšími elektronickými součástkami, jako jsou rezistory, diody atd.
Jak vybrat tranzistor IGBT pro danou aplikaci
Tranzistory IGBT mají prakticky identické parametry jako ostatní typy tranzistorů. První, který je třeba zmínit, je jmenovité napětí kolektor–emitor, které určuje, jaký rozdíl potenciálů může být aplikován mezi těmito vývody dříve, než dojde k průrazu a trvalému poškození polovodičového prvku. Tento parametr je uváděn ve voltech [V]. Hodnoty napětí kolektor–emitor pro tranzistory IGBT začínají na přibližně 300 V a mohou dosáhnout až cca 5 kV.
Dalším důležitým parametrem je kolektorový proud, tedy maximální hodnota průměrného proudu protékajícího tranzistorem. Udává se samozřejmě v ampérech [A]. Běžně dostupné na trhu tranzistory IGBT zvládnou proudy od 1 A do cca 400 A. Tento parametr souvisí s dalším, označovaným jako rozptýlený výkon, který se udává ve wattech [W] a může se pohybovat od 10 W do více než 2 kW. Čím je hodnota proudu protékajícího daným prvkem vyšší, tím větší bude výkon uvolněný na jeho krytu v podobě tepla. Samozřejmě, čím je pouzdro takového prvku větší, tím vyšších hodnot rozptýleného výkonu je schopen dosáhnout díky lepšímu odvodu tepla do prostředí. Pro další zlepšení tohoto procesu se velmi často používá pasivní chlazení, tedy k tranzistoru se připojí chladič (obvykle přišroubovaný nebo přilepený tepelně vodivým lepidlem). Dalším zlepšením může být přidání aktivního chlazení, čili vynucení proudění vzduchu pomocí ventilátorů.
Kromě jmenovité hodnoty kolektorového proudu se uvádí také kolektorový proud v pulzu, tedy maximální, okamžitá hodnota proudu protékajícího prvkem, které je schopen odolat bez okamžitého shoření a trvalého tepelného poškození. Tranzistory IGBT v pulzu jsou schopny zvládnout i proudy přesahující 1 kA.
Vzhledem k volbě ovládání je třeba věnovat pozornost také maximální přípustné hodnotě napětí mezi hradlem a emitorem (obvykle od 10 V do 30 V). Pro získání informací o spínací prahové hodnotě konkrétního tranzistoru a propustném proudu, který lze za daných podmínek získat, stojí za to seznámit se s dokumentací konkrétního prvku, ve kterém najdeme mimo jiné charakteristiky kolektorového proudu závislého na rozdílu napětí mezi kolektorem a emitorem, jakož i mezi hradlem a emitorem.
Ze strany ovladače může být důležitá také informace o hradlovém náboji tranzistoru IGBT, který se udává v coulombech [C]. Tato hodnota se pohybuje od přibližně 6 nC až do 1180 nC. To je velmi důležité při výběru ovládacího prvku nebo zařízení, které musí mít odpovídající proudovou účinnost. To proto, aby bylo možné optimálně napájet a vybíjet hradlo. Tento parametr má zvláštní význam pro vysoké spínací frekvence tranzistoru.
Dokumentace často uvádí také časy sepnutí a vypnutí kolektorového proudu, což jsou důležité parametry při navrhování některých elektronických obvodů.
Sklad:
