Здесь, в The Automation Engineer, мы обнаружили, что один важный компонент автоматизации так часто упоминается в разговорах, что мы были удивлены, что до сих пор ничего не написали об этом; скромный IGBT.
Во-первых, давайте определим, что мы подразумеваем под IGBT. Это аббревиатура от биполярного транзистора с изолированным затвором. Проще говоря, это электронный выключатель. Что делает IGBT таким особенным, так это его высокая эффективность и скорость. Это идеальные функции для электронного контроля скорости. Вы найдете IGBT в частотно-регулируемых приводах (VFD), электромобилях, поездах, холодильниках с регулируемой скоростью вращения и кондиционерах.
Можно сказать, что IGBT — это важнейший элемент технологии будущего. Но потребовалось много лет, чтобы добраться до этой точки нашего путешествия.
Все началось в 1831 году.
Еще не викторианская эпоха. И первая промышленная революция начинает брать свое.
В то время сам фундамент силовой электроники еще не был заложен. Все начинается с Майкла Фарадея. Его работа над свойствами индукции привела к прорывной разработке силового трансформатора в том же году. Примерно в это же время ученые Никола Тесла и Томас Эдисон также внесли значительный вклад.
Только в 1902 году, в начале эдвардианской эры, Питер Купер Хьюитт изобрел ртутный дуговой выпрямитель. На этом этапе появилась возможность преобразовывать мощность переменного тока в постоянный ток. Он использовался во всей промышленности. Эта технология побудила изобретателей и ученых искать новые средства силовой электроники, в значительной степени обусловленные потребностями радио и телевидения.
Большие перемены произошли после успешного тестирования биполярного транзистора с точечным контактом, проведенного Бриттеном, Бардином и Шокли в телефонной лаборатории Bell. Это был первый тип твердотельного электронного транзистора, способного усиливать или переключать электронные сигналы. Это возвестило о наступлении новой эры в силовой электронике.
В то время технология создавала ограничения. Для создания транзистора требовались два металлических контакта на расстоянии 0,002 дюйма друг от друга. Провода тогда были слишком толстыми. Это была гениальная идея Браттейна прикрепить полоску золотой фольги поверх треугольника. Затем он разрезал кончик лезвием бритвы, чтобы создать разрез по линии роста волос. Затем треугольник был подвешен на пружине над кристаллом германия (известным своим высоким сопротивлением). Он был установлен так, чтобы контакты слегка соприкасались. Сам кристалл германия располагался на металлической пластине, присоединенной к источнику напряжения. Это создавало небольшой ток через один контакт и больший ток через другой. По сути, усиливая сигнал.
Это работает, потому что германий является полупроводником. Он может пропускать либо много тока, либо вообще его не пропускать. У германия в эксперименте было много электронов. Когда электрический сигнал проходил через золотую фольгу, в ней образовывались отверстия (эти отверстия как бы противоположны электронам). Конечным результатом является слой германия со слишком малым количеством электронов.
Чтобы объяснить это подробнее, следует рассмотреть несколько терминов. Когда в полупроводнике слишком много электронов, это называется N-типом. Когда их слишком мало, это Р-тип. Промежуточное место известно как P-N-переход. Этот P-N переход — это место, где ток течет с одной стороны вверх на другую.
Оригинальный дизайн был ненадежным и шумным. Поэтому в 1948 году Уильям Шокли разработал транзистор с биполярным переходом, или BJT, для решения этих проблем. Концепция представляла собой транзистор, напоминающий сэндвич, с одним типом полупроводника, окружающим второй тип. Этот новый метод был результатом тщательного тестирования, которое доказало, что электричество может проходить через полупроводник, а не только вокруг него. Однако для этого требовалась середина, которая была бы одновременно очень тонкой и чистой.
Над созданием этого слоистого хрусталя Шокли работал вместе с Гордоном Тилом. Тил считал, что существует лучший способ создания многослойного кристалла, предполагая, что его следует выращивать, а не резать. Его метод использовал крошечный кристалл и погружал его в расплавленный германий, вытаскивая более крупный кристалл по мере его затвердевания. Несмотря на то, что его сверстники не были заинтересованы, Тил продолжал свои исследования. Позже Шокли признал, что был неправ: выращенные кристаллы прослужили в 100 раз дольше, чем ограненные.
Оказавшись на борту, Шокли попросил добавить в расплав примеси, чтобы изменить количество электронов (типа N и P). Добавляя галлий, они могли бы превратить германий N-типа в P-тип и обратно, добавив сурьму. Они улучшили конструкцию, вытягивая кристалл еще медленнее и перемешивая расплав. Этот новый тип транзисторов не мог справиться с чрезвычайно быстрыми колебаниями сигнала, но во всех остальных отношениях они работали лучше.
К 1952 году Р.Н. Холл представил первый силовой диод, который имел больший PN-переход, чем его предшественники. Он был способен выдерживать напряжение 200 В и имел номинальный ток 35А. К сожалению, увеличение PN-перехода означало, что силовые диоды были неподходящими для применения при высоком напряжении выше 1 МГц.
В 1956 году технология снова изменилась, на этот раз с внедрением компанией General Electric кремниевого управляемого выпрямителя (SCR). Это ознаменовало переход от германия к кремнию в качестве ключевого полупроводникового материала. Меньшее количество свободных электронов и более высокая рабочая температура — все это способствовало этому изменению. Кроме того, существует изобилие материала (35% поверхности Земли — кремний).
Технология снова шагнула вперед в 1960-х годах с появлением MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который позволил управлять током нагрузки практически без входного тока. Металлооксидный аспект названия в настоящее время является неправильным, поскольку материал затвора часто основан на кремнии. MOSFET сделал возможным разработку цифровых схем, часто вы найдете тысячи или миллионы в одном чипе памяти или микропроцессоре. Они могут быть выполнены в виде полупроводников p-типа или n-типа и работать как дополнительные пары МОП-транзисторов, известных как КМОП.
На протяжении 1970-х годов США и Япония были локомотивом развития полевых транзисторов и полупроводниковой промышленности. В 1969 году Японская электротехническая лаборатория изобрела V-образный МОП-транзистор, а в 1976 году силовой МОП-транзистор стал коммерчески доступен.
Затем, в 1982 году, было разработано дешевое, надежное и быстрое устройство с возможностью быстрого выключения и включения, названное биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT). На разработку этой конкретной технологии ушло несколько лет, но все началось с исследователя по имени Ямагами, который подал свой первый патент в 1968 году. Его предложение включало в себя МОП, управляющий полупроводником положительный-отрицательный-положительный-отрицательный (PNPN) без использования какого-либо выходного напряжения.
Позже две крупнейшие электронные компании той эпохи развили IGBT в полной мере. По сей день и Балига из GE, и Бекке с Уитли из RCA оспаривают друг у друга звание создателя. Реальность такова, что оба получили одобрение своих патентов, что ускорило процесс.
Одно из наиболее распространенных применений IGBT — в инверторной ступени привода с регулируемой скоростью. Чтобы понять, что делает IGBT внутри привода, нам нужно понять, что делает IGBT в целом. Представьте это как врата. Когда напряжение ниже определенного уровня, затвор не открывается. Но когда напряжение превышает заданную величину, это позволяет току перемещаться. Он может выполнить это действие в течение наносекунд.
Внутри привода переменного тока, действуя как переключатель, IGBT управляет величиной напряжения, поступающего на двигатель, используя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Затем это позволяет пользователю контролировать скорость этого двигателя. Обычно в приводе имеется шесть IGBT, которые работают вместе для воспроизведения формы сигнала. Чем дольше цикл, тем медленнее скорость.
Сегодня ясно, что без развития IGBTs наш мир был бы действительно совсем другим. От первых пионеров, таких как Фарадей, Тесла и Эдисон, до новаторов, таких как Хьюитт, Шокли и Тил, и современной силовой электроники сегодняшнего дня, каждый из них проложил путь для будущих технологий. Именно эта технология сделает наш мир пригодным для жизни будущих поколений.
