Биполярный транзистор с изолированным затвором.

Стремление совместить в одном приборе лучшие свойства полевого и биполярного транзистора привели к созданию комбинированного прибора - биполярного транзистора с изолированным затвором. В технической литературе его называют IGBT (от англ. Insulator Gate Bipolar Transistor). Этот прибор нашел широкое распространение в силовой электронике благодаря тому, что он позволяет с высокой скоростью коммутировать большие токи.

Рис. 1.79. Биполярный транзистор с изолированной базой (IGBT):

а) условное графическое обозначение; б)эквивалентная схема IGBT

Обозначение IGBT показано на рис.1.79. Как видно из обозначения вход IGBT подобен МДП - транзистору, т.е. это прибор управляемый потенциалом. Выход подобен выходу биполярного транзистора, т.е. выходные характеристики IGBT должны быть такими же, как у биполярного транзистора. Несмотря на то, что IGBT является единой монолитной кристаллической структурой, по существу это функциональное усилительное устройство, которое может быть представлено в виде схемы показанной на рисунке 1.79,б. Как видно из схемы, коллекторный ток биполярного транзистора Т₂ поступает на вход биполярного транзистора Т₃, и часть коллекторного тока Т₃ поступает на вход Т₂, с выхода которого ток опять поступает на вход Т₃. Таким образом, между двумя выходными биполярными транзисторами имеется положительная обратная связь.

Рисунок 1.80. Модель IGBT транзистора

Модель IGBT транзистора состоит из последовательно включенных резистора R_on, индуктивности L_on, источника постоянного напряжения V_f и ключа SW (рис. 1.80). Блок логики управляет работой ключа. Включение прибора происходит в случае, если напряжение коллектор-эмиттер положительно и больше, чем V_f и на затвор транзистора подан положительный сигнал (g > 0). Выключение прибора происходит при уменьшении сигнала на затворе до нуля (g = 0). При отрицательном напряжении коллектор-эмиттер транзистор находится в выключенном состоянии.

Статические вольтамперные характеристики модели IGBT транзистора для включенного и выключенного состояний показаны на рис. 1.81.

В модели параллельно самому прибору включена последовательная RC- цепь, выполняющая демпфирующие функции.

В модели учитывается также конечное время выключения транзистора. Процесс выключения разбит на два участка (рис. 1.82) и характеризуется, соответственно, временем спада (Tf), при котором ток коллектор-эмиттер уменьшается до 0.1 от тока в момент выключения (I_max) и временем затягивания (Tt), при котором ток уменьшается до нуля.

То, что позавчера было предметом дискуссий и обсуждений на рассмотрении направлений развития отрасли, уже вчера воплотилось в реальных проектах и, наконец, сегодня имеет опыт внедрения, позволяющий критически оценивать достигнутые результаты.

Классические схемные решения частотного регулирования долгое время оставались на уровне теории в связи с низким уровнем элементной базы, а о возможности их реализации на электроприводах с нагрузкой, связанной с необходимостью работы в четырех квадрантах механической характеристики, не могло быть и речи. Только благодаря применению современных полностью управляемых вентилей, типа IGBT транзисторов, и микропроцессорного управления появилась возможность частотного регулирования электродвигателя с постоянным контролем момента во всех режимах работы механизма: двигательный, генераторный, динамического торможения.

Именно на таком уровне построения схемы электропривода практически исключилась опасность «опрокидывания» электродвигателя, что позволило уверенно внедрять частотное регулирование в механизмах грузоподъемных кранов.