Tyrystory i IGBT – budowa, działanie i zastosowania

0

Tyrystory i IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) to półprzewodniki mocy stosowane w układach wysokiego napięcia i prądu, takich jak falowniki, prostowniki, sterowniki silników i systemy energetyczne. Są one kluczowe tam, gdzie zwykłe tranzystory BJT lub MOSFET-y nie wytrzymałyby obciążeń, zarówno pod względem prądu, jak i napięcia.

W artykule przedstawiamy szczegółowo budowę, zasadę działania, typy oraz najważniejsze parametry i zastosowania tych elementów.

1. Tyrystor – co to jest i jak działa?

Tyrystor to półprzewodnikowy element czterowarstwowy, składający się z przemiennie domieszkowanych półprzewodników typu P i N (PNPN). Jest klasycznym przykładem elementu sterowanego prądem, który działa jak włącznik, przełączający prąd przewodzenia.

Budowa tyrystora

  • Anoda (A) – wyprowadzenie dodatnie
  • Katoda (K) – wyprowadzenie ujemne
  • Bramka (G, Gate) – elektroda sterująca, minimalny prąd sterujący powoduje przewodzenie

Wyróżnia się dwa główne tryby pracy:

  1. Przewodzenie włączone bramką (Trigger)
    • Tyrystor w stanie wyłączenia (blokada) można włączyć impulsowo za pomocą prądu bramki.
  2. Przewodzenie w stanie nasycenia
    • Po włączeniu prąd kolektora/anody przepływa, dopóki prąd nie spadnie poniżej wartości podtrzymania.

Zasada działania

  1. Tyrystor w stanie wyłączenia zachowuje się jak dioda zaporowa – blokuje prąd przy polaryzacji przewodzącej.
  2. Po impulsie na bramkę następuje przełączenie w stan przewodzenia, w którym prąd płynie od anody do katody.
  3. Tyrystor pozostaje przewodzący, dopóki prąd nie spadnie poniżej prądu podtrzymania (IH).
  4. W przeciwieństwie do MOSFET i BJT, tyrystor nie można wyłączyć sygnałem sterującym – trzeba zmniejszyć prąd do zera (np. przez przerwanie obwodu).

Rodzaje tyrystorów

  • SCR (Silicon Controlled Rectifier) – najpopularniejszy typ, sterowany bramką
  • TRIAC – dwukierunkowy tyrystor stosowany w układach AC
  • GTO (Gate Turn-Off) – można wyłączyć bramką
  • SCT, MCT, etc. – nowoczesne odmiany stosowane w elektronice mocy

Zastosowania tyrystorów

  • Sterowanie silnikami prądu przemiennego i DC
  • Regulacja mocy grzałek i oświetlenia
  • Prostowniki sterowane w zasilaczach przemysłowych
  • Falowniki w systemach OZE
  • Wysokonapięciowe przełączniki w elektroenergetyce

2. IGBT – połączenie MOSFET i BJT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) łączy zalety MOSFET (sterowanie napięciem, szybkie przełączanie) oraz BJT (wysokie napięcie i duży prąd kolektora). Dzięki temu IGBT jest idealny do mocy średnich i dużych, gdzie MOSFET-y traciłyby efektywność przy wysokich prądach.

Budowa IGBT

  • Bramka (G) – izolowana, sterowana napięciem (jak MOSFET)
  • Kolektor (C) – doprowadza prąd do obciążenia
  • Emiter (E) – wypływ prądu, podobnie jak w BJT

W praktyce IGBT jest jak MOSFET sterujący BJT, co pozwala uzyskać:

  • wysoki prąd kolektora
  • dużą odporność na napięcie
  • niskie straty przewodzenia

Zasada działania

  1. Napięcie bramki Vge otwiera kanał w warstwie MOSFET, co powoduje przepływ elektronów i uruchomienie BJT w strukturze.
  2. W stanie przewodzenia prąd kolektora płynie od kolektora do emitera, a spadek napięcia jest niski.
  3. W stanie wyłączenia prąd jest praktycznie zerowy – podobnie jak w MOSFET.

Ważne: IGBT wymaga przemyślanego sterowania bramką, aby uniknąć przeciążeń i strat w czasie przełączania.

Najważniejsze parametry IGBT

  • Vce(max) – maksymalne napięcie kolektor–emiter (200–3300 V)
  • Ic(max) – maksymalny prąd kolektora (do kilkuset amperów)
  • Vge(th) – napięcie progowe bramki
  • Rds(on) – nieco większe niż w MOSFET, ale niższe straty przewodzenia niż w BJT
  • Czas włączenia/wyłączenia – zwykle kilkuset nanosekund do kilku mikrosekund

Zastosowania IGBT

  • Falowniki fotowoltaiczne i w turbinach wiatrowych
  • Sterowniki silników dużej mocy (AC, DC, BLDC)
  • Zasilacze impulsowe dużej mocy
  • Przetwornice energii w pojazdach elektrycznych i hybrydowych
  • Przemysłowe układy grzewcze i spawalnicze

Dlaczego tyrystory i IGBT są tak ważne w elektronice mocy?

  1. Tyrystory: niezastąpione w układach, gdzie wymagana jest kontrola wysokiego prądu i napięcia w prostych przełącznikach, zwłaszcza AC.
  2. IGBT: idealne połączenie łatwości sterowania MOSFET z wydajnością BJT, co sprawia, że nadają się do nowoczesnych falowników, inwerterów i sterowników mocy.
  3. Skalowalność: można tworzyć układy od kilkunastu amperów do setek amperów i od kilkudziesięciu woltów do kilku kV.
  4. Trwałość i niezawodność w pracy przemysłowej i energetycznej.

Podsumowanie

  • Tyrystory – klasyczne elementy mocy sterowane prądem bramki, doskonałe do prostowników i układów AC.
  • IGBT – nowoczesny półprzewodnik mocy sterowany napięciem, idealny do falowników, sterowników silników i przetwornic.

Oba typy półprzewodników są fundamentem systemów energetycznych i przemysłowych, tam gdzie zwykłe MOSFET-y lub BJT nie byłyby wystarczające. Ich właściwości pozwalają na wydajne i bezpieczne sterowanie dużymi mocami przy minimalnym sterowaniu.