Новая технология РТ IGBT против мощных полевых транзисторов
О компании Advanced Power Technology
Диапазон продукции Advanced Power Technology достаточно широк и объединяет в себе различные направления. Это дискретные устройства — биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT, мощные полевые транзисторы, диоды на основе барьера Шоттки, диоды с быстрым восстановлением, а также модульные сборки на основе кристаллов дискретных элементов. Кроме того, APT выпускает устройства с повышенными эксплуатационными характеристиками для военной, аэрокосмической промышленности и мощные высокочастотные силовые транзисторы.
Сегодня мы постараемся поподробнее рассмотреть одно из направлений силовых полупроводниковых приборов — линию дискретных биполярных транзисторов с изолированным затвором РТ IGBT, выполненных по новой технологии Advanced Power Technology Power MOS 7.
Структура РТ IGBT
Всем известно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором обладают преимуществами легкого управления МОП полевых транзисторов и низкими потерями проводимости, характерными для биполярных транзисторов.
Традиционно IGBT используют в применениях, где необходимо работать с высокими токами и напряжениями. Сегодня Advanced Power Technology представляет новое поколение РТ IGBT, которое позволяет сбалансировать потери на переключение и потери проводимости и использовать эти транзисторы в области высоких частот, где обычно применяются МОП полевые транзисторы, одновременно обеспечивая высокий КПД.
Как видно из рис. 1, структура РТ IGBT практически идентична структуре других топологий биполярных транзисторов с изолированным затвором.
Рис. 1. Структура PT IGBT
Особенностью структуры РТ IGBT является наличие комбинации инжектирующего слоя p+ и буферного слоя n+. Благодаря высокой инжектирующей способности слоя p+ буферный слой контролирует коэффициент передачи транзистора при помощи ограничения числа дырок, которые были изначально введены в область дрейфа. В связи с тем что время жизни неосновных носителей в буферном слое намного ниже, чем в области дрейфа, буферный слой поглощает захваченные дырки в момент выключения.
В дополнение к работе буферного слоя n+, «хвостовой» ток в PT IGBT контролируется ограничением общего времени жизни неосновных носителей до того, как они рекомбинируют. Это свойствоназывается управлением временем жизни неосновных носителей. Облучение электронами в процессе производства создает дополнительные рекомбинационные центры во всем пространстве кристалла кремния, которые существенно уменьшают время жизни неосновных носителей и, следовательно, «хвостовой» ток. Дырки быстро рекомбинируют даже при отсутствии напряжения в устройстве, характерном для режима мягкого переключения.
Устройства нового поколения PT IGBT Power MOS 7 выделяются среди прочих IGBT высокой скоростью переключений. Этому способствует металлическая полосковая топология затвора. В результате применения данной топологии устройства обладают очень низким внутренним эквивалентным сопротивлением затвора (EGR) — доли Ом — гораздо меньшим, чем у устройств с поликремниевым затвором. Низкое сопротивление затвора дает возможность быстрее осуществлять переключения и, следовательно, уменьшить потери.
Полосковая металлическая топология обеспечивает равномерное и быстрое возбуждение затвора, уменьшая нагрев при переходных процессах и повышая надежность. Наконец, полосковая структура затвора более устойчива к дефектам, которые неизбежно возникают во время производства, и улучшает выносливость и надежность устройства, особенно в режиме работы транзистора при высоком токе и высокой температуре.
Управление PT IGBT Power MOS 7 очень похоже на управление традиционными МОП полевыми транзисторами. При прямой замене полевых транзисторов устройствами PT IGBT Power MOS 7 в высокочастотных применениях можно использовать те же уровни, даже если они составляют всего 10 В. В этих случаях рекомендуемые значения управляющего напряжения затвора для уменьшения потерь при включении составляют 12–15 В — как для биполярных транзисторов с изолированным затвором, так и для МОП полевых транзисторов.
Потери на переключение и потери проводимости
Динамические характеристики включения биполярных транзисторов с изолированным затвором практически идентичны характеристикам МОП полевых транзисторов.
При выключении есть различия, связанные с наличием «хвостового» тока. Подавить «хвостовой» ток полностью не удается, и поэтому у IGBT импульсная энергия выключения намного больше энергии включения. Стремление получить высокие динамические характеристики и сокращение потерь на переключение приводит к росту потерь проводимости, поэтому перед разработчиками часто стоит проблема выбора оптимального соотношения. Чтобы уменьшить потери проводимости, импульсная энергия должна увеличиваться и наоборот, а снижение напряжения приводит к росту потерь на переключение.
Рис. 2 изображает выбор оптимального соотношения между импульсной энергией выключения Еoff и напряжением коллектор — эмиттер в открытом состоянии транзистора VCE(on). Представлены зависимости для двух поколений IGBT: характеристика предыдущего поколения IGBT и характеристика РТ IGBT Power MOS 7. При использовании устройств нового поколения РТ IGBT удается снизить энергию выключения на 30–50% без значительного увеличения VCE(on).
Результатом этого является повышение КПД в импульсных источниках питания, использующих PT IGBT новой технологии Power MOS 7.
Рис. 2. Зависимость импульсной энергии от напряжения
Рабочие частоты и токи
Одним из самых удобных методов сравнения производительности различных устройств, таких, например, как IGBT и МОП полевые транзисторы, является зависимостьрабочей частоты от тока. Удобство метода заключается в том, что можно увидеть не только потери проводимости, но и потери на переключение, а также оценить тепловое сопротивление.
На рис. 3 изображены кривые зависимости частоты и тока для трех устройств: одного PT IGBT и двух мощных МОП полевых транзисторов. Все три устройства являются устройствами нового поколения Power MOS 7 производства АРТ.
Рис. 3. Зависимость рабочей частоты от тока
АРТ30GP60В — это биполярный транзистор с изолированным затвором нового семейства PT IGBT Power MOS 7 с рабочим напряжением 600 В и номинальным значением прямого тока IC2 49 А в корпусе ТО-247.
Устройства АРТ6038ВLL и АРТ6010В2LL — это МОП полевые транзисторы Power MOS 7 с рабочим напряжением 600 В и номинальными значениями прямых токов ID 17 и 54 А соответственно. Транзистор АРТ6038ВLL выполнен в корпусе ТО-247, а АРТ6010В2LL — в корпусе Т-МАХ (схожий с ТО-247).
В качестве условий тестирования были выбраны следующие параметры: режим жесткого переключения с индуктивной нагрузкой, рабочее напряжение 400 В, температура перехода TJ — 175 °С, температура корпуса TC — 75 °С, рабочий цикл 50% и общее сопротивление затвора 5 Ом. Совместно с каждым устройством в качестве фиксирующего использовался диод сверхбыстрого восстановления на 15 А и 600 В. Тестируемая схема представляла собой типовую топологию для индуктивных нагрузок.
Устройства АРТ30GP60В и АРТ6038ВLL имеют одинаковые размеры кристалла, а размер кристалла АРТ6010В2LL примерно в 3 раза больше. Обычно стоимость устройства зависит от площади кристалла, поэтому устройства с требуемыми характеристиками, построенные на меньшем по площади кристалле, стоят, как правило, дешевле.
Предположим, что нам необходимо обеспечить импульсный ток 8 А на частоте 200 кГц. Исходя из зависимостей на рис. 3, становится ясно, что МОП полевой транзистор АРТ6038ВLL — наилучший выбор, так как он может работать со значительно большими частотами, чем другие устройства. Теперь предположим, что требуется обеспечить ток 20 А на частоте 200 кГц. Такой ток будет способен обеспечить как PT IGBT АРТ30GP60В, так и МОП полевой транзистор АРТ6010В2LL. Однако PT IGBT АРТ30GP60В будет стоить в три раза меньше, чем транзистор АРТ6010В2LL, в связи с уменьшенным размером кристалла. МОП полевой транзистор АРТ6038ВLL полностью отпадает. При токе выше 37 А PT IGBT имеет все преимущества, даже не смотря на то, что обладает меньшим размером кристалла. При таких рабочих частотах температура перехода IGBT будет ниже, чем у МОП полевого транзистора. Этот пример идет вразрез с общепринятым мнением, что МОП полевые транзисторы всегда работают эффективнее, чем IGBT, и высокая эффективность подразумевает высокую стоимость.
Для более корректного анализа стоит сделать еще несколько замечаний.
Во-первых, значение прямого тока ID МОП полевого транзистора АРТ6038ВLL составляет 17 А, но в нашем случае этот полевой транзистор вряд ли сможет обеспечить ток более 10 А. При других условиях, таких, например, как короткий рабочий цикл, транзистор сможет обеспечить прямой ток, близкий к номинальному значению. Номинальное значение прямого тока не может показать нам реальное значение тока для нашего применения, так как измеряется оно в непрерывном режиме (без потерь на переключение) и при определенной температуре. В основном номинальное значение прямого тока показывает относительную величину тока и потери проводимости в устройстве.
Во-вторых, общее сравнение показывает, что значение прямого тока ID МОП полевого транзистора АРТ6010В2LL (при непрерывном режиме с температурой корпуса 25 °С) близко к значению прямого тока IC2 IGBT АРТ30GP60В (при непрерывном режиме с температурой корпуса 110 °С) — 54 и 49 А соответственно.
Эти характеристики весьма схожи между собой, производительность этих двух устройств тоже практически одинаковая. Оба устройства могут работать на частоте 200 кГц при рабочих токах, в половину меньших номинального значения тока.
В-третьих, биполярные транзисторы обладают большей плотностью тока, чем МОП полевые транзисторы, благодаря чему IGBT используют кристаллы меньшего размера с тем же уровнем мощности, что и МОП полевые транзисторы. Из-за значительного увеличения сопротивления в открытом состоянии полевые транзисторы обладают гораздо меньшей плотностью тока при рабочих напряжениях свыше 300 В. И здесь гораздо целесообразнее использовать IGBT.
В завершении надо отметить, что необходимо понимание относительной эффективности того или иного устройства при применении в различных условиях. На высоких частотах и сравнительно низкихтоках предпочтение отдается, как правило, МОП полевым транзисторам (или же РТ IGBT малых размеров). IGBT является лучшим решением в применениях, где требуется больший ток, так как потери проводимости умеренно увеличиваются с увеличением тока, в то время как значения потерь проводимости мощного полевого транзистора пропорциональны квадрату значения тока.
В большинстве частотных и токовых диапазонов могут применяться различные устройства, однако последнее поколение PT IGBT Power MOS 7 выступает как самое недорогое решение.
Температурные эффекты
Скорость включения в импульсном режиме работы и потери для биполярных транзисторов с изолированным затвором и полевых транзисторов практически не зависят от температуры. Между тем, в режиме жесткого переключения обратный ток восстановления диода увеличивается с увеличением температуры, что увеличивает потери на переключение. Скорость выключения МОП полевых транзисторов также, в сущности, не связана с температурой, но скорость выключения IGBT ухудшается и потери на переключение, соответственно, увеличиваются с ростом температуры. Тем не менее в транзисторах PT IGBT Power MOS 7 потери сохраняются практически на прежнем уровне благодаря контролю над временем жизни неосновных носителей.
Одним из основных недостатков обычных IGBT силовых транзисторов является отрицательный температурный коэффициент (ТК) по напряжению насыщения (VCE(on)), что нарушает баланс токов при параллельном соединении транзисторов.
На рис. 4 представлены зависимости, характеризующие температурный коэффициент IGBT APT65GP60B2.
Рис. 4. Температурный коэффициент IGBT APT65GP60B2
Из рисунка видно, что температурный коэффициент слегка меняется в зависимости от тока коллектора — от отрицательного значения при токе меньше 65 А (нулевому ТК соответствует ток 75 А — на рисунке не показан) до положительного при токе больше 75 А. На это свойство специально был сделан упор при разработке PT IGBT Advanced Power Technology Power MOS 7 нового поколения. Данное свойство позволяет достаточно просто осуществлять параллельное включение устройств.
В отличие от PT IGBT полевые транзисторы обладают жестким положительным температурным коэффициентом, что приводит к потере проводимости при соединении более чем двух устройств при условии их работы в температурном диапазоне 25–125 °С.
Применение в системах импульсных источников питания (SMPS)
Усилительный преобразователь в режиме жесткого переключения
На рис 5.
дано сравнение зависимостей рабочей частоты и прямого тока устройств PT IGBT АРТ15GP60В (IC2 = 27 А) и полевого транзистора АРТ6029BLL (ID = 21 А). Условия были выбраныте же, что и ранее: режим жесткого переключения с индуктивной нагрузкой, рабочее напряжение 400 В, температура перехода TJ — 175 °С, температура корпуса TC — 75 °С, рабочий цикл 50% и общее сопротивление затвора 5 Ом. Совместно с каждым устройством в качестве фиксирующего использовался диод сверхбыстрого восстановления на 15 А и 600 В. Из приведенных зависимостей видно, что каждое устройство может работать с частотой 200 кГц и током 14 А. При увеличении токов более привлекательным становится использование IGBT, так как при этом его рабочая частота выше, чем полевого транзистора. IGBT АРТ15GP60В обладает меньшими размерами кристалла, и поэтому дешевле. При значениях тока ниже 14 А полевой МОПтранзистор может работать с более высокой частотой, и это означает, что использование МОП полевого транзистора в этих условиях эффективнее, чем использование IGBT.
Рис. 5. Исполнение в схеме SMPS. Зависимость частоты усиления от тока
Фазосдвигающий мост
На рис. 6 приведена зависимость максимальной рабочей частоты и тока для устройств, схожих с предыдущими. АРТ6029BFLL — это силовой транзистор из семейства FREDFET (полевой транзистор со встроенным быстрым диодом), а АРТ15GP60BDF1 — COMBI IGBT (IGBT со встроенным диодом быстрого восстановления). Оба устройства могут использоваться в построении мостовых схем.
Рис. 6. Зависимость рабочей частоты от тока для фазосдвигающего моста
Анализируемая схема представляет собой ключ нулевого напряжения, что характерно для режима жесткого переключения. Из рис. 6 видно, что кривые зависимости частоты от тока просто смещены в область более высоких значений тока, если сравнивать с рис. 5 для усилительного преобразователя в режиме жесткого переключения. На самом деле необходимо отметить, что кривые IGBT смещены дальше, чем кривые полевого транзистора.
Это обусловлено тем, что IGBT обладает меньшими потерями проводимости, чем полевой транзистор. При рабочем токе выше 13 А основные потери полевого транзистора обусловлены потерями проводимости. При значении тока 15 А у МОП полевого транзистора АРТ6029BLF теряется 75 Вт мощности в связи с потерями проводимости, в то время как у PT IGBT АРТ15GP60BDF1 — около 14 Вт. Потери на переключение преобладают над потерями проводимости IGBT вплоть до уровня рабочего тока 40 А. При токе выше 40 А потери проводимости IGBT становятся больше, чем потери на переключение.
Когда значение рабочей частоты ниже 300 кГц, IGBT обладает преимуществом режима мягкого включения в схеме фазосдвигающего моста, так как допустимое максимальное значение рабочего тока больше, чем у полевого транзистора. Малые потери на переключение IGBT в результате мягкого переключения дополнены малыми потерями проводимости. Таким образом, семейство Power MOS 7 PT IGBT находит свое применение как в схемах мягкого, так и жесткого переключения.
Заключение
Новое поколение биполярных транзисторов с изолированным затвором PT IGBT Power MOS 7 производства Advanced Power Technology обладает совокупностью значительно улучшенных динамических характеристик, малыми потерями проводимости и универсальной способностью мягкого переключения. Дополняя эти преимущества немаловажным фактором — невысокой стоимостью — новое поколение транзисторов PT IGBT Power MOS 7 действительно может заменить полевые транзисторы в применениях импульсного электропитания. Теперь уже трудно сказать, насколько долго продержатся высоковольтные полевые транзисторы в составе устройств питания. Скорее всего, в будущем биполярные транзисторы с изолированным затвором займут их место.
Литература
- Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs. Application Note APT0302 Rev. A. 04-04-2003.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) – Модули (Transistors – IGBTs – Modules)
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) – Модули (Transistors – IGBTs – Modules)IXYS Corporation
IGBT 650V 215A 750W SOT227B
IXXN110N65B4
h2 Add to cartIXYS Corporation
IGBT 650V 210A 750W SOT227B
IXXN110N65C4
h2 Add to cart-
IXYS Corporation
IGBT 600V SOT-227B
IXGN320N60A3
Add to cart Microsemi
IGBT 1200V 128A 543W SOT227
APT75GP120JD
Q3 Add to cartWickmann / Littelfuse
IGBT 1200V 80A 500W PKG S
MG1250S-BA1M
M Add to cartVishay
IGBT 600V 114A 658W MTP
VS-50MT060WH
TAPBF Add to cart- IR (Infineon Technologies)
IGBT MODULE 1200V 75A
FS75R12KT4B1
5BOSA1 Add to cart IR (Infineon Technologies)
IGBT MODULE 1200V 450A
FF450R12KT4H
OSA1 Add to cartPOWER MODULE IGBT 600V 600A SP6
APTGT600A60G
Add to cartMicrosemi
IGBT TRENCH SGL SWITCH 1700V D4
APTGT600U170
D4G Add to cart- Microsemi
IGBT 600V 283A 682W SOT227
APT200GN60J
Add to cart Microsemi
IGBT 1200V 140A 480W SOT227
APT100GT120J
U2 Add to cartMicrosemi
IGBT 1200V 75A 329W SOT227
APT45GP120JD
Q2 Add to cartWickmann / Littelfuse
IGBT 1200V 200A 625W PKG S
MG12150S-BN2
MM Add to cartIR (Infineon Technologies)
IGBT MODULE 1200V 400A
FZ400R12KE4H
OSA1 Add to cart
Что такое IGBT-транзистор? – Основы, определение и структура
- Калькуляторы
- Задачи проектирования
Войти
Добро пожаловать! Войдите в свою учетную запись
ваше имя пользователя
ваш пароль
Забыли пароль?
Создать учетную запись
Политика конфиденциальности
Зарегистрироваться
Добро пожаловать!Зарегистрируйте аккаунт
ваш адрес электронной почты
ваше имя пользователя
Пароль будет отправлен вам по электронной почте.
Политика конфиденциальности
Восстановление пароля
Восстановить пароль
ваш адрес электронной почты
Поиск
Изменено:
Статьи категории
Содержание
Транзистор IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)0056 Bipolar Junction Transistors ) и MOSFET , в качестве переключающих устройств. IGBT специально разработаны для удовлетворения требований высокой мощности. Хотя доступны BJT большой мощности, но они имеют низкую скорость переключения. С другой стороны, также доступны полевые МОП-транзисторы большой мощности, которые имеют более высокую скорость переключения, но не могут удовлетворить столь высокие требования к мощности.
Рис. 1. Символ IGBT На самом деле транзистор IGBT представляет собой гибридное устройство, состоящее из полевого транзистора, управляющего pnp BJT, и имеет три входных контакта.
Выход полевого транзистора подается на базу биполярного транзистора. Это каскадирование приводит к трехвыводному устройству, которое сочетает в себе огромные токопроводящие возможности биполярного транзистора и высокую коммутационную способность полевого транзистора. Эти три вывода устройства называются 9.Коллектор 0056, эмиттер и затвор . Затвор является входной клеммой, а эмиттер-коллектор действует как токопроводящий путь.
Рис. 3. Упрощенная схема транзистора IGBT (MOSFET + BJT) IGBT – Типы и внутренняя структура
Доступны два типа транзисторных IGBT :
- PT (сквозной) – изготавливаются с дополнительным «n+ слоем», называемым «n+ буферным слоем»,
- NPT (без пробивки) – изготавливаются без «буферного слоя n+».
Поскольку все транзисторы доступны в n-типе и p-типе, IGBT также доступны в обоих типах. В данной статье рассматривается PT, n-канальный транзистор IGBT.
Внутренняя конструкция IGBT-транзистора состоит из следующих областей:
- p+ слой (инжекционный слой) – Это область коллектора. Он сильно легирован. Мы должны подать положительное напряжение, чтобы коллектор и буферный переход (J 3 ) со смещением вперед.
- Слой n+ (Буферный слой) — Это дополнительный слой. Этот слой не влияет на работу транзистора IGBT. Это делает устройство асимметричным. Это помогает в области прямого пробоя.
- n-слой (область дрейфа стока) – Этот слой слабо легирован. Он действует как база для транзистора PNP, является стоком MOSFET и эмиттером транзистора NPN. Соединение J 2 образуется между n-слоем и p+ телом.
- p+ (Корпус) – Действует как эмиттер PNP-транзистора, корпус MOSFET и база NPN-транзистора.
- Слой n+ – Действует как коллектор NPN-транзистора, исток MOSFET.
Соединение j 1 образуется между p+ телом и n+ слоем (источник) - SiO 2 – затвор изолирован емкостью SiO
Соединение j 1 образуется между p+ телом и n+ слоем (источник)Прямой режим блокировки – Когда положительное напряжение подается на коллектор при закороченных затворе и эмиттере. Развязки J 1 и J 3 имеют прямое смещение, а J 2 — обратное.
Режим проводимости — Подайте достаточное положительное напряжение на клемму затвора. Подайте положительное напряжение коллектора на эмиттер. Канал электронов формируется под SiO 2 и в области тела р-типа. Этот канал соединяет слой n+ с областью дрейфа n-. Транспорт электронов в n-дрейфовой области снижает сопротивление этой области. Соединение j 1 также смещено в прямом направлении и инжектирует дырки в n-область дрейфа. Дырки из слоя инжекции и электроны из слоя n+ собираются в области дрейфа.
Наличие большого количества носителей (электронов и дырок) снижает сопротивление n-дрейфовой области или, можно сказать, увеличивает проводимость n-дрейфовой области. Это явление называется модуляция проводимости области дрейфа . Электроны и дырки составляют ток, протекающий через биполярный транзистор с изолированным затвором.
Обратный режим блокировки — Когда на коллектор подается отрицательное напряжение, переход j 3 смещен в обратном направлении.
БТИЗ – характеристики переключенияБТИЗ обычно используются в коммутационных устройствах, поскольку они работают либо в области отсечки, либо в области насыщения.
Определенные области выходной характеристики IGBT:
V GE =0, прибор выключен, т.к. в области тела р-типа не формируется инверсионный слой. Это область отсечки .
V GE >0, V GE 
В этом случае ток утечки очень мал, что связано с потоком неосновных носителей. Устройство все еще находится в зоне отсечки. А V CE почти равен V CC .
В GE >V GET , приращение напряжения затвор-эмиттер выше порогового значения, переводит устройство в активную область . Благодаря напряжению эмиттера затвора в области тела p-типа создается инверсионный слой n-типа . Теперь есть канал, доступный для текущего потока.
В ГЭ >>В GET , значительное увеличение V GE переводит полевой МОП-транзистор в омическую область, а выходной PNP-транзистор в насыщение область . В области насыщения ток коллектора (i c ) также увеличивается, что приводит к уменьшению V CE .
Рис. 5. Вольт-амперные характеристики IGBT-транзистораБиография автора:
Амна Ахмед — страстный писатель.
Она ведет образовательный блог с 2012 года. Она живет в Карачи, Пакистан. Она закончила B.E. электроника из авторитетного учреждения в 2011 году. Она любит электронику и любит читать и писать все, что связано с электроникой. Она хорошо пишет обзоры литературы, конспекты лекций, обзоры технологий. Посетите ее блог здесь и оставайтесь на связи.
Михал
Инженер электроники и телекоммуникаций с дипломом магистра электроэнергетики. Светодизайнер опытный инженер. В настоящее время работает в сфере IT.
Английский
ТранзисторIGBT — основы, характеристики, схема переключения и применение
IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором , комбинация биполярного переходного транзистора (BJT) и полевого транзистора на основе оксида металла (MOS-FET) . Это полупроводниковое устройство, используемое для переключения связанных приложений.
Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и Transistor , он имеет преимущества как транзисторов, так и MOSFET. MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а с другой стороны BJT имеет преимущество высокого коэффициента усиления и низкого напряжения насыщения, оба присутствуют в IGBT-транзисторе. IGBT — это полупроводниковый прибор, управляемый напряжением , который обеспечивает большие токи коллектор-эмиттер при почти нулевом токе затвора.
Как уже говорилось, IGBT имеет преимущества как MOSFET, так и BJT, IGBT имеет такой же изолированный затвор, как и типичные MOSFET, и такие же выходные передаточные характеристики. Хотя BJT является устройством, управляемым током, но для IGBT управление зависит от MOSFET, поэтому это устройство, управляемое напряжением, эквивалентное стандартным MOSFET.
Эквивалентная схема и обозначение IGBT
На изображении выше показана эквивалентная схема IGBT.
Это та же структура схемы, что и в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены точно так же. Как мы видим на изображении выше, IGBT объединяет два устройства, N-канальный MOSFET и PNP-транзистор . N-канальный MOSFET управляет PNP-транзистором. Стандартный вывод BJT включает в себя коллектор, эмиттер, базу, а стандартный вывод MOSFET включает затвор, сток и исток. Но в случае IGBT-транзистора с контактами это Gate , который поступает от N-канального MOSFET, а коллектор и эмиттер поступают от PNP-транзистора.
В PNP-транзисторе коллектор и эмиттер являются проводящими путями, и когда IGBT включен, они проводят и пропускают через себя ток. Этот путь управляется N-канальным МОП-транзистором.
В случае BJT, , мы вычисляем коэффициент усиления, который обозначается как Beta ( ), , путем деления выходного тока на входной ток.
β = Выходной ток / Входной ток
Но, как мы знаем, МОП-транзистор не является устройством с регулируемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор MOSFET отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета коэффициента усиления BJT, неприменима для технологии MOSFET. Затвор MOSFET изолирован от пути проводимости тока. Напряжение затвора MOSFET изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения. Это верно для IGBT. Коэффициент усиления IGBT представляет собой отношение изменений выходного тока к изменениям входного напряжения затвора .
Из-за больших токов большой ток биполярного транзистора управляется напряжением затвора полевого МОП-транзистора.
На изображении выше символ IGBT показан как . Как мы видим, символ включает часть коллектора-эмиттера транзистора и часть затвора MOSFET.
Три терминала показаны как Gate, коллектор и эмиттер.
В проводящем или переключаемом режиме « ON » ток течет от коллектора к эмиттеру . То же самое происходит и с транзистором BJT. Но в случае с IGBT вместо основания есть затвор. Разница между напряжением затвора и эмиттера называется Vge , а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .
Ток эмиттера (Ie) почти такой же, как ток коллектора (Ic) , То есть = Ic . Поскольку ток относительно одинаков как в коллекторе, так и в эмиттере, Vce очень низкий.
Узнайте больше о BJT и MOSFET здесь.
Применение IGBT:
IGBT в основном используется в приложениях, связанных с питанием. Стандартные силовые биполярные транзисторы имеют очень медленное срабатывание, в то время как полевые МОП-транзисторы подходят для приложений с быстрым переключением, но МОП-транзисторы являются дорогостоящим выбором, когда требуется более высокий номинальный ток.
IGBT подходит для замены мощных BJT и мощных MOSFET .
Кроме того, IGBT предлагает более низкое сопротивление в открытом состоянии по сравнению с биполярными транзисторами, и благодаря этому свойству IGBT является теплоэффективным в приложениях, связанных с высокой мощностью.
Применение IGBT в области электроники обширно. Из-за низкого сопротивления , очень высокого номинального тока, высокой скорости переключения, привода с нулевым затвором, IGBT используются в управлении двигателями большой мощности, инверторах, импульсных источниках питания с высокочастотными преобразователями.
На изображении выше показано базовое приложение переключения с использованием IGBT. RL представляет собой резистивную нагрузку, подключенную через эмиттер IGBT к земле. Разность напряжений на нагрузке обозначается как VRL . Нагрузка может быть и индуктивной. А с правой стороны показана другая схема.
Нагрузка подключается через коллектор, а резистор защиты по току подключается через эмиттер. В обоих случаях ток будет течь от коллектора к эмиттеру.
В случае BJT нам необходимо обеспечить постоянный ток через базу BJT. Но в случае IGBT, как и в случае с MOSFET, нам необходимо обеспечить постоянное напряжение на затворе, а насыщение поддерживается в постоянном состоянии.
В левом корпусе разность потенциалов, VIN , которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей/VSS, управляет выходным током, протекающим от коллектора к эмиттеру. Разница напряжений между VCC и GND почти одинакова на нагрузке.
В правой цепи ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS .
I RL2 = V в / R S
Изолированные биполярные транзисторы (IGBT) можно переключить « на » и ‘ off .
Если мы сделаем затвор более положительным, подав напряжение на затвор, эмиттер IGBT удержит IGBT в его « ON «состояние, и если мы сделаем затвор отрицательным или нулевым, IGBT останется в состоянии « OFF ». Это то же самое, что и переключение BJT и MOSFET.
ВАХ и передаточные характеристики IGBT
На изображении выше ВАХ показаны в зависимости от различных напряжений затвора или
