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 Ron, индуктивности Lon, источника постоянного напряжения Vf и ключа SW (рис. 1.80). Блок логики управляет работой ключа. Включение прибора происходит в случае, если напряжение коллектор-эмиттер положительно и больше, чем Vf 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 (Imax) и временем затягивания (Tt), при котором ток уменьшается до нуля.
| Рисунок 1.81Статические ВАХ модели IGBT | Рисунок 1.82. Процесс включения транзистора |
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.