В прошлом месяце Бантвал Джаянт Балига был награжден Премией тысячелетия в области технологий 2024 года за новаторскую работу над биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT). IGBT сделал для силовой электроники то же, что MOSFET сделал для цифровой электроники.
Он изменил стандартную конструкцию высоковольтной и мощной управляющей электроники и позволил добиться значительной экономии энергии в тяжелом оборудовании, приборах, транспортных средствах и многом другом. С момента своего изобретения в 1982 году IGBT сэкономил около 36 триллионов долларов за счет сокращения потребления бензина на 10% и повышения электрического КПД на 40%.
Джаянт Балига вырос в Бангалоре, Индия, и был сыном известного инженера-электрика Бантвала Виттала Манджуната Балиги. Его отец был одним из первых инженеров-электриков Индии до обретения независимости и президентом-основателем индийского отделения Института радиоинженеров, который позже стал IEEE в Индии. Хотя его отец был для него большим источником вдохновения, Балига хотел «выйти из его тени и оставить свой собственный след в мире».
Балига получил степень бакалавра электротехники в Индийском технологическом институте в Мадрасе, Индия. Затем он иммигрировал в Соединенные Штаты и получил степень магистра и доктора философии. в Политехническом институте Ренсселера.
После работы в Rensselaer Балига в 1974 году устроился на работу в Центр исследований и разработок General Electric и приступил к разработке IGBT. Перед его командой стояла задача разработать более совершенный полупроводниковый переключатель, чем тот, который был доступен в то время. В течение месяца Балига подготовил описание патента для IGBT.
Решение проблемы эффективности высоковольтного переключателя
До изобретения IGBT металлооксидный полевой транзистор (MOSFET) и биполярный транзистор (BJT) уже произвели революцию в цифровой коммутации и аналоговой электронике малой и средней мощности. Однако во многих приложениях требовались более высокие напряжения и токи, чем могла обеспечить любая технология.
Электрические устройства управления того времени страдали от больших потерь и ими было трудно точно управлять. Тиристор, часто называемый кремниевым выпрямителем (SCR), был наиболее распространенным полупроводниковым устройством, предшествующим IGBT. Тиристоры имеют четырехслойную топологию PNPN, соединенную с анодом, катодом и затвором. Подача сигнала на затвор включит устройство, позволяя ему проводить однонаправленно от анода к катоду, как диод. Они не могут усиливаться и фиксироваться после включения. Они выключатся только тогда, когда анодный ток упадет ниже порогового значения. Это делает их работоспособными переключателями переменного тока, но трудно использовать для постоянного тока.
Электрические устройства управления того времени страдали от больших потерь и ими было трудно точно управлять. Тиристор, часто называемый кремниевым выпрямителем (SCR), был наиболее распространенным полупроводниковым устройством, предшествующим IGBT. Тиристоры имеют четырехслойную топологию PNPN, соединенную с анодом, катодом и затвором. Подача сигнала на затвор включит устройство, позволяя ему проводить однонаправленно от анода к катоду, как диод. Они не могут усиливаться и фиксироваться после включения. Они выключатся только тогда, когда анодный ток упадет ниже порогового значения. Это делает их работоспособными переключателями переменного тока, но трудно использовать для постоянного тока.
Как работает IGBT
IGBT представляет собой силовой полупроводниковый переключатель с тремя выводами. Он сконструирован как переключающий полупроводник с биполярным переходом с низкими потерями, управляемый областью затвора из оксида металла, что делает его значительно более эффективным при переключении высокого напряжения и сильного тока, чем любые жизнеспособные альтернативы.
IGBT не имеет защелки, как тиристор, и обеспечивает усиление и цифровое переключение. Сегодня IGBT является вторым по распространенности силовым транзистором в мире после MOSFET. Хотя МОП-транзисторы стали чрезвычайно энергоэффективными, быстрыми и универсальными устройствами, IGBT лучше работают в режимах сильного тока и высокого напряжения.
Методика управления затвором IGBT очень похожа на метод управления MOSFET, что упрощает проектирование, когда это необходимо. Режим переключения работает как биполярный транзистор, что дает ему возможность выдерживать высокие напряжения и токи. Легче запускать несколько IGBT параллельно, чем MOSFET. В то время как набор МОП-транзисторов, включенных параллельно, если он не тщательно спроектирован, может в конечном итоге пропускать избыточный ток через самую слабую часть, IGBT по своей сути распределяют нагрузку. Кроме того, IGBT обычно имеет меньшее прямое падение напряжения, чем мощные/сильноточные МОП-транзисторы.
Методика управления затвором IGBT очень похожа на метод управления MOSFET, что упрощает проектирование, когда это необходимо. Режим переключения работает как биполярный транзистор, что дает ему возможность выдерживать высокие напряжения и токи. Легче запускать несколько IGBT параллельно, чем MOSFET. В то время как набор МОП-транзисторов, включенных параллельно, если он не тщательно спроектирован, может в конечном итоге пропускать избыточный ток через самую слабую часть, IGBT по своей сути распределяют нагрузку. Кроме того, IGBT обычно имеет меньшее прямое падение напряжения, чем мощные/сильноточные МОП-транзисторы.
Эти характеристики позволяют использовать IGBT в системах управления питанием, работающих при напряжении бытовой сети и выше. Домашние стиральные машины, холодильники, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и индукционные плиты теперь обычно управляются электроникой на основе IGBT. В промышленности тяговые двигатели, источники питания и все, что требует управления высокой мощностью до сотен киловатт, можно контролировать с помощью блоков IGBT.
Наследие эффективности управления
В некоторых кругах Балига известен как человек с наименьшим углеродным следом; он описывает себя как обладателя «самого большого отрицательного углеродного следа в мире». Балига покинул GE и переехал в штат Северная Каролина в качестве профессора в 1988 году. В 1997 году он получил звание выдающегося профессора университета и сохраняет эту должность. Помимо Премии тысячелетия в области технологий, он был награжден Почетной медалью IEEE, Национальной медалью технологий и инноваций и многими другими. Ему было выдано 120 патентов, он является автором или редактором 18 книг и более 500 научных статей.