Практически любой современный человек по крайней мере слышал о том, что в различных электронных и электротехнических устройствах широко используются транзисторы. Специалистам по электронике известно, что транзисторы делятся на биполярные и полевые. Основное отличие между ними заключается в том, что биполярные транзисторы управляются током, который подается в их базу, тогда как полевые – напряжением, потенциал которого прикладывается к затвору этих элементов.
Существует также еще одна разновидность транзисторов, которая была разработана в конце 70-х гг. прошлого столетия и называется IGBT. Этот полупроводниковый прибор объединяет основные характерные черты биполярного и полевого транзисторов: по структуре он соответствует биполярному прибору, но управляется напряжением. Это интересное свойство достигнуто за счет того, что затвор как управляющий электрод выполнен изолированным.
Структура IGBT-транзистора
С точки зрения своего внутреннего устройства IGBT-транзистор выполнен как составная структура и представляет собой комбинацию полевого и биполярного транзисторов. Биполярная часть структуры берет на себя силовые функции, тогда как полевой элемент реализует функции управления. От биполярного элемента заимствованы наименования двух электродов: коллектор и эмиттер, а по полевому – управляющий электрод называется затвором.
Оба основных блока структуры образуют единое целое и соединены между собой так, как это показано на рисунке 1. Из него следует, что IGBT-транзистор можно рассматривать развитие известной схемы Дарлингтона, реализуемой из двух биполярных транзисторов.
Преимущества
Применяемая в IGBT-элементах схема взаимодействия его основных блоков позволяет устранить один из главных недостатков мощного биполярного транзистора: относительно небольшой коэффициент усиления по току. Тем самым при построении ключевых элементов существенно снижается требуемая мощность управляющих цепей.
Применение в IGBT-транзисторе в качестве силой части биполярной структуры устраняет эффект насыщения, что заметно увеличивает ее быстродействие. Одновременно увеличивается максимальное рабочее напряжение и снижаются потери мощности в открытом состоянии. Наиболее совершенные элементы этой разновидности коммутируют токи в сотни ампер, а рабочее напряжение достигает нескольких тысяч вольт при частотах срабатывания вплоть до нескольких десятков кГц.
Исполнение и область применения IGBT-транзистора
По своему исполнению, как это следует из рисунка 2, IGBT-транзистор имеет традиционную конструкцию, поддерживает прямой монтаж на радиатор, а также не требует изменения конструкции и технологии монтажа схем силовой электроники.
Само собой разумеется, что IGBT-транзисторы можно включить в состав модулей. Пример одного из них показан на рисунке 3.
Фокусными областями применения IGBT-транзистора считаются:
- источники импульсного типа питания постоянным током;
- системы управления электрическими приводами;
- источники сварочного тока.
Наряду с источниками обычного и бесперебойного питания различной техники IGBT-транзисторы привлекательны для электротранспорта, т.к. позволяют добиться высокой точности регулирования тягового усилия и устраняют характерные для систем с механическим управлением рывки при движении.