IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistors – биполярные транзисторы с изолированным затвором – это микроскопические изделия, позволившие сделать очередной шаг в развитии отрасли бесперебойного питания. Какие плюсы и минусы он несёт? Об этом пойдет речь далее.

Но сначала – небольшой экскурс в электронику, объясняющий, что же такое IGBT.

Что такое IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором – это полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого лежит трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.

Условное обозначение IGBT

IGBT сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления).

Схема соединения двух транзисторов (биполярного и полевого) в IGBT

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Первое поколение IGBT появилось в 1985 году, в 1998 году появилось IV поколение, используемое ныне.

Применение IGBT в ИБП

IGBT в ИБП применяются достаточно давно – они присутствуют даже в трансформаторных ИБП двойного преобразования, где используются в инверторе. Однако, трансформаторы по своей сути являются низкоэффективными, габаритными и тяжелыми изделиями, поэтому прилагались усилия к разработке бестрансформаторных ИБП, а в результате в схеме ИБП появился новый элемент, использующий IGBT – IGBT-бустер.

Дело в том, что трансформатор в ИБП был завершающим звеном и повышал напряжение с выходного инверторного до необходимого для питания нагрузки. Это позволяло работать инвертору на пониженном входном напряжении. Теперь же, при отсутствии трансформатора, входное напряжение необходимо было поднять, для чего и применялись бустеры. По сути, схема превращалась в ИБП с тройным преобразованием энергии: спрямление напряжения выпрямителем, повышение напряжения бустером и создание переменного напряжения инвертором.

Следующий шаг – возврат к схеме с двойным преобразованием энергии за счет замены использовавшегося диодного или тиристорного выпрямителя на IGBT-выпрямитель. В новой схеме («зеркальной») и выпрямитель и инвертор используют IGBT:

Вход – IGBT-выпрямитель – IGBT-инвертор – Выход.

Результаты внедрения IGBT

Итак, внедрение IGBT позволило:

• Упростить схемы ИБП.
• Сделать ИБП гораздо более компактными и легкими.
• Более эффективно выпрямлять переменный ток, позволяя шине постоянного тока и преобразователю поддерживать устойчивое выходное напряжение при более широких интервалах изменения входного напряжения и частоты, и при этом не требовать перехода на питание от батарей.
• Понизить коэффициент нелинейных нагрузок (с 20-35% в трансформаторных ИБП до 5-7% в схеме с тройным преобразованием и далее до 2-5% с «зеркальных» ИБП). Как следствие, ИБП вносит минимальные искажения в питающую силовую сеть и не требует применения дополнительных дорогостоящих фильтров.
• Повысить коэффициент потребляемой мощности до 0.99, а, следовательно, и снижение входного тока (на 10-30%).

Недостатки IGBT

К недостаткам IGBT можно отнести следующие моменты:

• Отсутствие трансформаторов ведет к отсутствию гальванической изоляции между сетью и нагрузкой, которая иногда может быть необходима.
• Увеличенное время зарядки аккумуляторных батарей.
• Меньшая перегрузочная способность.

ИБП с IGBT в ЦОД

Применительно к ЦОД необходимо отметить два противодействующих фактора:

С одной стороны, в ЦОД важно использование энергоэффективных решений, и IGBT делает это возможным,

С другой стороны, трансформаторные ИБП считаются более устойчивыми и, следовательно, более надежными, а надежность также является одним из главных критериев ЦОД.

Подводя итоги, мне не представляется возможным сделать однозначный выбор в пользу той или иной технологии, однако, бестрансформаторные схемы с меньшими габаритами, массой, нелинейными искажениями и с большим коэффициентом мощности всё-таки выглядят более перспективно.

Автор: Хомутский Юрий