Tranzistory IGBT
(1 511)IGBT tranzistory, teda bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom, patria do rodiny polovodičových prvkov. Používajú sa na riadenie vysokovýkonných zariadení, t.j. zariadení vyžadujúcich vysoké napätie a/alebo prúd. Vzhľadom na svoje vlastnosti a nepochybné výhody sa používajú napr. v invertoroch, teda zariadeniach, ktoré sú napájané jednosmerným prúdom, pričom na svojom výstupe generujú striedavý prúd s nastaviteľnou frekvenciou. IGBT tranzistory sa používajú aj v iných silových zariadeniach (ako sú meniče, usmerňovače, zváračky), používajú sa však aj v audio zosilňovačoch alebo elektromobiloch. Uvedené príklady predstavujú len niektoré z možných aplikácií týchto mimoriadne užitočných elektronických komponentov.
Konštrukcia a vlastnosti IGBT tranzistorov
IGBT tranzistory sú elektronické súčiastky s tromi elektródami. Podobne ako v prípade bežných bipolárnych tranzistorov aj IGBT tranzistory majú kolektor a emitor, namiesto bázy sú však vybavené hradlom, teda elektródou, ktorá je zhodná s elektródou v unipolárnych tranzistoroch, napr. MOSFET. Pre ľahšie pochopenie toho, ako IGBT tranzistory fungujú, sa pozrime na ekvivalentnú schému takéhoto prvku, ktorú môžeme považovať za jeho vnútornú schému. Znázorňuje príslušným spôsobom zapojené dva tranzistory: bipolárny tranzistor typu PNP a unipolárny N-kanálový tranzistor MOSFET. Elektróda "drain" tranzistora MOSFET je pripojená k báze bipolárneho tranzistora, pričom von z puzdra je vyvedené hradlo unipolárneho tranzistora spolu s kolektorom a emitorom bipolárneho tranzistora.
Konštrukcia IGBT tranzistora spája výhody unipolárnych a bipolárnych tranzistorov. Prvou výhodou je jednoduchosť ich ovládania - jednoduchým priložením na hradlo príslušného napätia vzhľadom na emitor (cca 4...8 V). Druhou výhodou je schopnosť viesť prúdy s vysokou intenzitou. IGBT tranzistory sa vyznačujú predovšetkým výnimočne vysokou hodnotou menovitého napätia medzi kolektorom a emitorom, niekedy až 6 kV. Okrem toho umožňujú riadenie elektrických prúdov vysokej intenzity, rádovo až niekoľko stoviek ampérov.
Tieto prvky však, napriek svojim nepochybným výhodám, vyžadujú od zariadenia, ktoré ich riadi, pomerne vysokú prúdovú účinnosť. Súvisí to s potrebou rýchleho prebitia kapacity hradla IGBT tranzistora v prípade jeho vysokofrekvenčného spínania. Tento prúd môže v impulzoch dosahovať intenzitu až niekoľkých ampérov. Napriek tomu je to stále nižšia hodnota, než aká by bola potrebná na riadenie bipolárnych tranzistorov s podobnými parametrami. Frekvencia spínania prúdu pretekajúceho tranzistorom IGBT (pri použití vhodného riadenia) môže dosiahnuť až cca. 30 kHz.
Výhodou IGBT tranzistorov oproti bežne používaným tranzistorom MOSFET je oveľa menší pokles napätia počas vedenia prúdu. Už v tranzistoroch MOSFET je tento pokles malý, vďaka čomu sa tieto tranzistory často používajú na riadenie rôznych napájacích prijímačov, napríklad LED líšt. Ich vnútorný odpor však môže pri vedení vysokých prúdov zapríčiniť veľké poklesy napätia a rozptyl rovnako vysokého výkonu vo forme tepla. Pokles napätia na IGBT tranzistoroch je oveľa nižší, pretože prúd, ktorý nimi preteká, má bipolárny charakter.
IGBT tranzistory poskytujú pomerne rýchle spínanie prúdových obvodov, avšak v porovnaní s MOSFETmi trvá vypnutie prúdu pretekajúceho daným prvkom dlhšie. Znížením napätia na hradle IGBT tranzistora nedochádza k jeho vypnutiu okamžite, tento jav sa niekedy nazýva "prúdovým chvostom". Následkom tohto javu je potom obmedzenie pracovnej frekvencie takéhoto prvku v konkrétnom elektronickom obvode.
Ako takmer každú inú elektronickú súčiastku, aj IGBT tranzistory je možné nájsť v dvoch základných variantoch, t. j. vo verzii určenej pre povrchovú montáž (SMD) a pre montáž s priechodným otvorom (THT). Sú dostupné aj vo forme modulov, t.j. v podobe obvodov skladajúcich sa z niekoľkých IGBT tranzistorov zapojených paralelne s prídavnými elektronickými komponentmi, ako sú odpory, diódy atď.
Ako vybrať IGBT tranzistor pre danú aplikáciu
IGBT tranzistory sa vyznačujú prakticky takými istými parametrami ako ostatné typy tranzistorov. Ako prvé treba spomenúť menovité napätie kolektor-emitor, ktoré určuje, aký rozdiel potenciálov je možné medzi týmito elektródami aplikovať bez toho, aby došlo k poruche a k trvalému poškodeniu polovodičového prvku. Tento parameter sa udáva vo voltoch [V]. Hodnoty napätia kolektor-emitor pre IGBT tranzistory začínajú od približne 300 V a môžu dosiahnuť až približne 5 kV.
Ďalším veľmi dôležitým parametrom je kolektorový prúd, teda maximálna priemerná intenzita prúdu pretekajúceho tranzistorom. Udáva sa samozrejme v ampéroch [A]. IGBT tranzistory bežne dostupné na trhu zvládnu prúd s intenzitou od 1 A do cca. 400 A. S týmto parametrom súvisí ďalší, označovaný ako rozptýlený výkon, ktorý sa udáva vo wattoch [W] a môže sa pohybovať v rozmedzí od 10 až do viac ako 2 kW. Čím vyššia je intenzita prúdu pretekajúceho daným prvkom, tým väčší bude výkon, ktorý sa uvoľní na jeho kryte vo forme tepla. Samozrejme, čím je puzdro takéhoto prvku väčšie, tým väčší výkon môže vďaka lepšiemu odvodu tepla do okolia rozptýliť. Pre ďalšie dodatočné zlepšenie tohto procesu sa veľmi často používa pasívne chladenie. K tranzistoru býva pripevnený chladič (zvyčajne priskrutkovaný alebo prilepený tepelne vodivým lepidlom). Ďalším vylepšením môže byť pridanie aktívneho chladenia, teda vynútenie prúdenia vzduchu pomocou ventilátorov.
Okrem menovitej hodnoty kolektorového prúdu sa udáva aj tzv. špičkový kolektorový prúd, teda maximálna, okamžitá hodnota prúdu pretekajúceho prvkom, ktorý je schopný prvok zniesť bez okamžitého zhorenia a trvalého tepelného poškodenia. IGBT tranzistory sú schopné zvládnuť špičkové prúdy presahujúce svojou intenzitou aj 1 kA.
Vzhľadom na výber ovládania treba venovať pozornosť aj maximálnemu povolenému napätiu medzi bránou a emitorom (zvyčajne je to od 10 do 30 V). Informácie o prahovej hodnote spínania konkrétneho tranzistora ako aj o intenzite prúdu v priepustnom smere, ktorú je možné za daných podmienok získať, je možné nájsť v dokumentácii konkrétneho prvku, v ktorej sú uvedené napr. charakteristiky závislosti kolektorového prúdu od rozdielu napätia medzi kolektorom a emitorom, ako aj medzi bránou a emitorom.
Zo strany ovládača môže byť dôležitá aj informácia o náboji hradla IGBT tranzistora, ktorý sa udáva v coulomboch [C]. Táto hodnota sa pohybuje v rozmedzí od cca. 6 až do 1180 nC. Je to veľmi dôležité pri výbere ovládacieho prvku alebo zariadenia, ktoré musí mať primeranú prúdovú účinnosť, teda takú, aby zaručovalo optimálne nabíjanie a vybíjanie hradla. Tento parameter je obzvlášť dôležitý najmä v prípade vysokofrekvenčného spínania tranzistora.
V dokumentácii sú často uvedené aj časy zapnutia a vypnutia kolektorového prúdu, čo je dôležitá charakteristika pri návrhu niektorých elektronických obvodov.
Sklad:
