IGBT-transistorer
(1 511)IGBT-transistorer, det vill säga bipolära transistorer med isolerat styre hör till halvledarfamiljen. De används för att styra el med hög effekt, dvs. hög spänning och/eller strömstyrka. Med hänsyn till sina egenskaper och onekliga fördelar används IGBT-transistorer i bl.a. växelriktare dvs. enheter som matas med likström och genererar utgående växelström med justerbar frekvens. IGBT används även i annan kraftutrustning (som: omvandlare, likriktare, svetsaggregat) samt ljudförstärkare och elbilar. De nämnda exemplen är bara en del av möjliga användningsområden av dessa användbara elektroniska komponenter.
Uppbyggnad och egenskaper av IGBT-transistorer
IGBT-transistorer är elektroniska komponenter med tre terminaler som liksom hos vanliga bipolära transistorer har en kollektor och emitter och i stället för basen är IGBT-transistorer utrustade med ett styre, dvs. en terminal som är identisk som hos unipolära transistorer, ex. MOSFET. För att lätt kunna förstå deras funktionsprincip ska man titta på komponentens ekvivalent schema som vi kan kalla för dess invändiga schema. I det ser vi lämpligen kopplade transistorer: bipolär av typen PNP och unipolär MOSFET, med N-kanal. MOSFET-transistorns dränering är ansluten till den bipolära transistorns bas utanför finns den unipolära transistorns styre och den bipolära transistorns kollektor och emitter.
IGBT-transistorns uppbyggnad gör att den kombinerar fördelarna av de unipolära och bipolära transistorerna. Den första utgörs av enkel styrning genom att styret matas med ett lämpligt spänningsvärde i förhållande till emittern (som uppgår till ca 4...8V). Den andra är möjligheten att leda ström med en hög strömstyrka. IGBT-transistorerna kännetecknas framför allt av ett högt märkspänningsvärde mellan kollektorn och emittern som kan uppgå till som mycket som 6kV. De medger också styrning av elektrisk ström med en hög strömstyrka på några hundra ampere.
Trots sina onekliga fördelar kräver dessa komponenter ett ganska högt strömutbyte hos den enhet som styr dem. Detta beror på behovet att snabbt ladda om IGBT-transistorns styres kapacitet när den kopplas om med en hög frekvens. Detta ström kan uppgå till några ampere vid pulser. Trots allt är detta ett lägre värde än det som skulle behövas för att styra bipolära transistorer med liknande parametrar. IGBT-transistorernas omkopplingsfrekvens (vid användning av lämplig styrning) kan uppgå till ca 30kHz.
IGBT-transistorernas överlägsenhet över de populära MOSFET-transistorerna utgörs av ett mycket lägre spänningsfall när de leder ström. Hos de senare är det ganska litet varför MOSFET-transistorer ofta används för att styra olika effektmottagare, ex. LED-lister. Vid ledning av ström med en hög strömstyrka kan deras interna resistans orsaka stora spänningsfall och en lika stark värmeavgivning. Spänningsfall hos IGBT-transistorer är mycket lägre eftersom strömmen som flyter genom dem är av bipolär karaktär.
IGBT-transistorer säkerställer en relativt snabb inkoppling av strömkretsar med i jämförelse med MOSFET-transistorerna kopplas strömmen som flyter genom komponenten efter en längre tid. Spänningssänkning i IGBT-transistorns styre kopplar inte ur den direkt vilket ibland kallas för ”strömsvans”. Fenomenet påverkar också minskningen av komponentens arbetsfrekvens i aktuell elektronisk krets.
Liksom nästan alla andra elektroniska komponenter är IGBT-transistorer tillgängliga i två grundläggande varianter, dvs. för ytmontering (SMD) hålmontering (THT). De kan också förekomma som moduler, dvs. kretsar uppbyggda av några parallellkopplade IGBT-transistorer med extra elektroniska komponenter som resistorer, dioder osv.
Hur väljer man en IGBT-transistor för en applikation
IGBT-transistorer har praktiskt sett nästan identiska parametrar som andra sorters transistorer. Som den första kan man nämna märkspänningen kollektor-emitter som anger vilken potentialskillnad som kan appliceras mellan dessa terminaler före genomslag och bestående skada av halvledarkomponenten. Denna parameter anges i volt [V]. Spänningsvärden kollektor-emitter för IGBT-transistorerna börjar från ca 300V och kan uppgå till ca 5kV.
En annan parameter av stor betydelse är kollektorström, dvs. maximalt värde av genomsnittlig ström som flyter genom transistorn. Den anges givetvis i ampere [A]. De på marknaden tillgängliga IGBT-transistorerna klarar av ström från 1A till ca 400A. Denna parameter är kopplad till en annan som betecknas som effektspridning som anges i watt [W] och kan uppgå till från 10W till över 2kW. Ju högre strömstyrka som flyter genom en viss komponent desto högre effekt som alstras på dess hölje i form av värme. Givetvis, ju större komponenthölje desto högre effektspridning kan uppnås tack vare en bättre värmeavledning till omgivningen. För att ytterligare effektivisera processen används ofta passiv kylning, dvs. transistorn förses med en kylfläns (som oftast skruvas eller limmas fast med värmeledande lim). En annan förbättring kan utgöras av aktiv kylning, dvs. luftflöde forceras av fläktar.
Förutom kollektorströmmens märkvärde anges även kollektorström i pulsen, dvs. maximalt tillfälligt strömvärde som flyter genom komponenten som den kan klara av utan att den omedelbart blir bränd eller permanent värmeskadad. IGBT-transistorer i puls klarar av ström som överstiger 1kA.
Med hänsyn till val av styrningen ska man också uppmärksamma maximalt tillåtet spänningsvärde mellan styret och emittern (oftast uppgår det till från 10V till 30V). För att få information om en viss transistors inkopplingströskel och framström som kan fås i aktuella förhållanden är det värt att referera till komponentens dokumentation där vi bl.a. hittar information om förhållandet mellan kollektorströmmen och spänningsskillnaden mellan kollektor och emittern samt mellan styret och emittern.
Från styrenhetens sida kan information om styrets laddning som anges i coulomb [C]. Värdet varierar från 6nC till 1180nC. Detta är av stor betydelse vid val av komponent eller styrenhet som måste kännetecknas av ett lämpligt strömutbyte. Så att parametern matas optimalt och styret laddas ur. Denna parameter har en särskild betydelse för höga omkopplingsfrekvenser av transistorn.
I dokumentationen anges ofta inkopplings- och urkopplingstider för kollektorström vilket är en viktig egenskap vid projektering av vissa elektroniska kretsar.
Lager:
