Что такое IGBT транзистор? И проблемы современной электроники.
Многим известно, что транзисторы по своему техническому назначению разделяются на полевые и биполярные. Чем же они отличаются? Полевые транзисторы управляются напряжением, потенциал которого прикладывается к затвору данного элемента. Биполярные транзисторы же управляются током, поданным в их базу.
Но в конце 70 годов был разработан еще один вид транзистора. Он имеет название IGBT. Данный транзистор включает в себя функции полевого и биполярного. По виду он является биполярным, но управляется напряжением.
Данное явление осуществляется за счет того, что затвор как управляющий электрод выполнен изолированным.
IGBT-транзисторы это не два транзистора в составной структуре сборки из полевого транзистора и обычного биполрного транзистора, а одна структура биполярного транзистора, у которого база наружу не выведена, а на неё наносится оксидный слой диэлектрика и сверху ставится управляющая обкладка изолированного затвора. И индуцированный канал затвор создаёт в базе проводимости коллектора и образовавшийся ток через нагрузку коллектор-база-эмиттер эмиттером дополнительно насыщает носителями заряда всю структуру транзистора, ещё сильнее открывая его. Одним словом, IGBT-транзистором является обычный полевой транзистор с изолированным затвором, в структуре которого для более полного его открытия исток оборощён в подобный биполярному транзистору мезопланарный эмиттерный p-n переход.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором были созданы для замены мощных полевых транзисторов. Позволяют коммутировать большие токи при высоких рабочих напряжениях то есть в режимах работы недоступных для полевых транзисторов.
Коэффициент усиления у полевых транзисторов небольшой, примерно 10, а вот у биполярных, очень большой - до 1000 и больше. Поэтому и появился IGBT.
Было бы совсем неплохо, если производители научились конструировать сборки до 20 кА рабочего тока, но до 50 В коммутируемого рабочего напряжения силовой цепи. Дело в том, что на такие мощности все упорно требуют использовать высокое рабочее напряжение аккумуляторной батареи при слабом рабочем токе. Например, в современных сейчас электромобилях, или электрокарах набирают аккумуляторную батарею на её рабочее напряжение 440 В. Одно дело, если это напряжение вырабатывал бы генератор переменного, или постоянного тока. Другое дело, если источником такого высокого рабочего напряжения привода электромобиля является литий-ионная аккумуляторная батарея, ЭДС одного элемента которой, несмотря на его большие размеры и ёмкость, всё те-же 3,6 В, что в маленьком карманном мобильном телефоне !!! И на номинальное рабочее напряжение привода электромобиля в районе 440 В требуется более 100 штук !!! таких включённых последовательно литий-ионных аккумуляторов !!! И если учесть, что каждый такой элемент из 100 штук требует индивидуальный контроль напряжения и рабочей температуры при его заряде и его разряде, и все эти отдельные их контроллеры должны иметь крайне надёжную гальваническую развязку по измерительным цепям, и цепям их электропитания друг от друга, то аккумуляторная батарея электромобиля становится потенциально крайне опасной и ненадёжной штукой, где отсыревание, затопление или просто отказ контрольных цепей, где что угодно может пробиться и перекрыть мощной электрической дугой с цепной реакцией воспламенения и разрушения всех элементов литий-ионных аккумуляторов с дуговым, а затем и литиевым страшным возгоранием и пожаром всего электромобиля !!! Поэтому, в отличие от западных дизайнеров я бы построил привод эектромобиля всего с 12 В питания от акумулятора, но за то потребляющий при этом ток до 15 кА !!! Но, во-первых, всего на 4 элемента литий-ионных аккумулятора легко делать контроллеры их заряда и разряда с гальванической развязкой между собой по всем их цепям. Во-вторых, мало элементов аккумуляторов сверхбольшой номинальной ёмкости имеют меньший суммарный объём и размеры при большем коэффициенте заполнения объёма аккумуляторной батареи активной массой, чем при её распределении по большому числу отдельных сосудов элементов аккумуляторной батареи малой ёмкости на высокое рабочее напряжение. В-третьих, номинальное рабочее напряжение электромобиля всего 12 В не может устроить дуговое короткое замыкание аккумуляторной батареи электромобиля, даже если всё его электрохозяйство было залито водой при аварии !!
Однако у транзистора IGBT принципиально очень сложно получить падение напряжения ниже 1В. С мосфетами на низких напряжениях чуть получше будет. Но 15кА - это крайне нетривиальная задача. К примеру повышение с 20В 300А на 400, весьма непростое занятие, упирающееся в конструктив индуктивных компонентов.
И если линейно увеличить ток, то потери начнут увеличиваться в квадрате(P=i2R). Собственно почему и стараются задрать напряжение, все для уменьшения конских потерь. Да и какие провода придётся использовать? Сварочные? Так даже они сгорят.