Силовые транзисторы igbt: IGBT транзистор. Принцип работы и применение.

принцип работы, разновидности полупроводников, основные параметры силовых компонентов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором широко используются в силовой электронике. Это надежные и недорогие компоненты, управляющиеся путем подачи напряжения на изолированный от цепи элемент. IGBT — транзистор, принцип работы которого чрезвычайно прост. Используется он в инверторах, системах управления электроприводами и импульсных источниках питания.

• История появления
• Основные характеристики
• Преимущества и недостатки
• Устройство и принцип работы
• Сфера использования
• Проверка исправности
• Мощные модули

История появления

Первые полевые транзисторы были разработаны в 1973 году, а уже спустя 6 лет появились управляемые биполярные модели, в которых использовался изолированный затвор. По мере совершенствования технологии существенно улучшились показатели экономичности и качества работы таких элементов, а с развитием силовой электроники и автоматических систем управления они получили широкое распространение, встречаясь сегодня практически в каждом электроприборе.

Сегодня используются электронные компоненты второго поколения, которые способны коммутировать электроток в диапазоне до нескольких сотен Ампер. Рабочее напряжение у IGBT — транзисторов колеблется от сотен до тысячи Вольт. Совершенствующие технологии изготовления электротехники позволяют выполнять качественные транзисторы, обеспечивающие стабильную работу электроприборов и блоков питания.

Основные характеристики

Принцип работы транзисторов и их характеристики будут напрямую зависеть от типа устройства и его конструкции. К основным параметрам полупроводников можно отнести следующее:

• Максимально допустимый ток.
• Показатель управляющего напряжения.
• Внутреннее сопротивление.
• Период задержки подключения и выключения.
• Паразитная индуктивность.
• Входная и выходная емкость.
• Напряжение насыщения у эмиттера и коллектора.
• Ток отсечки эмиттера.
• Напряжение пробоя коллектора и эмиттера.

Широкое распространение получили сегодня мощные IGBT транзисторы, которые применяются в блоках питания инверторов. Такие устройства одновременно сочетают мощность, высокую точность работы и минимум паразитной индуктивности. В регуляторах скорости применяются IGBT с частотой в десятки тысяч кГц, что позволяет обеспечить максимально возможную точность работы приборов.

Преимущества и недостатки

Сегодня в продаже можно подобрать различные модели полупроводников, которые будут отличаться своими показателями рабочей частоты, емкостью и рядом других характеристик. Популярность IGBT транзисторов обусловлена их отличными параметрами

, характеристиками и многочисленными преимуществами:

• Возможность эксплуатации с высокой мощностью и повышенным напряжением.
• Работа при высокой температуре.
• Минимальные потери тока в открытом виде.
• Устойчивость к короткому замыканию.
• Повышенная плотность.
• Практически полное отсутствие потерь.
• Простая параллельная схема.

К недостаткам IGBT относят их высокую стоимость, что приводит к некоторому увеличению расходов на изготовление электроприборов и мощных блоков питания. При планировании схемы подключения с транзисторами этого типа необходимо учитывать имеющиеся ограничения по показателю максимально допустимого тока. Чтобы решить такие проблемы, можно использовать следующие конструктивные решения:

• Использование обходного пути коммутации.
• Выбор сопротивления затвора.
• Правильный подбор показателей тока защиты.

Электросхемы устройств должны разрабатывать исключительно профессионалы, что позволит обеспечить правильность работы техники, отсутствие коротких замыканий и других проблем с электроприборами. При наличии качественной схемы подключения, реализовать ее не составит труда, выполнив своими руками силовой блок, питание и различные устройства.

Устройство и принцип работы

Внутреннее устройство IGBT транзистора состоит из двух каскадных электронных ключей, которые управляют конечным выходом. В каждом конкретном случае, в зависимости от мощности и других показателей, конструкция прибора может различаться, включая дополнительные затворы и иные элементы, которые улучшают показатели мощности и допустимого напряжения, обеспечивая возможность работы при температурах свыше 100 градусов.

Полупроводники IGBT типа имеют стандартизированную комбинированную структуру и следующие обозначения:

• К — коллектор.
• Э — эмиттер.
• З — затвор.

Принцип работы транзистора чрезвычайно прост. Как только на него подается напряжение положительного потенциала, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал, в результате чего происходит движение заряженных электронов. Это возбуждает действие биполярного транзистора, после чего от эмиттера напрямую к коллектору начинает протекать электрический ток.

Основным назначением IGBT транзисторов является их приближение к безопасному значению токов замыкания. Такие токи могут ограничивать напряжение затвора различными методами.

Привязкой к установленному показателю напряжения. Драйвер затвора должен иметь постоянные параметры, что достигается за счёт добавления в схему устройства диода Шоттки. Тем самым обеспечивается уменьшение индуктивности в цепи питания и затвора.

Показатели напряжения ограничиваются за счёт наличия стабилитрона в схеме эмиттера и затвора. Отличная эффективность таких IGBT транзисторов достигается за счёт установки к клеммам модуля дополнительных диодов. Используемые компоненты должны иметь высокую температурную независимость и малый разброс.

В цепь может включаться эмиттер с отрицательной обратной связью. Подобное возможно в тех случаях, когда драйвер затвора подключён к клеммам модуля.

Правильный выбор типа транзистора позволит обеспечить стабильность работы блоков питания и других электроприборов.

Только в таком случае можно гарантировать полностью безопасную работу электроустановок при коротких замыканиях и в аварийных режимах эксплуатации техники.

Сфера использования

Сегодня IGBT транзисторы применяются в сетях с показателем напряжения до 6,5 кВт, обеспечивая при этом безопасную и надежную работу электрооборудования. Имеется возможность использования инвертора, частотно регулируемых приводов, сварочных аппаратов и импульсных регуляторов тока.

Сверхмощные разновидности IGBT используются в мощных приводах управления троллейбусов и электровозов. Их применение позволяет повысить КПД, обеспечив максимально возможную плавность хода техники, оперативно управляя выходом электродвигателей на их полную мощность. Силовые транзисторы применяются в цепях с высоким напряжением. Они используются в схемах бытовых кондиционеров, посудомоечных машин, блоков питания в телекоммуникационном оборудовании и в автомобильном зажигании.

Проверка исправности

Ревизия и тестирование IGBT полупроводников выполняется при наличии неисправностей электрических устройств. Такую проверку проводят с использованием мультитестера, прозванивая коллекторы и электроды с эмиттером в двух направлениях. Это позволит установить работоспособность транзистора и исключит отсутствие замыкания. При проверке необходимо отрицательно зарядить вход затвора, используя щупы мультиметров типа COM .

Для проверки правильности работы транзистора на входе и выходе затвора заряжают ёмкость положительным полюсом. Выполняется такая зарядка за счёт кратковременного касания щупом затвора, после чего проверяется разность потенциала коллектора и эмиттера. Данные потенциалов не должны иметь расхождение более 1,5 Вольта. Если тестируется мощный IGBT, а тестера не будет хватать для положительного заряда, на затвор подают напряжение питания до 15 Вольт.

Мощные модули

Силовые транзисторы изготавливаются не только отдельными полупроводниками, но и уже собранными готовыми к использованию модулями. Такие приспособления входят в состав мощных частотных преобразователей в управлении электромоторами. В каждом конкретном случае схема и принцип работы модуля будут различаться в зависимости от его типа и предназначения. Чаще всего в таких устройствах используется мост, выполненный на основе двух силовых транзисторов.

Стабильная работа IGBT обеспечивается при частоте 150 килогерц. При повышении рабочей частоты могут увеличиваться потери, что отрицательно сказывается на стабильности электроприборов. Силовые транзисторы все свои преимущества и возможности проявляют при использовании с напряжением более 400 Вольт. Поэтому такие полупроводники чаще всего применяют в промышленном оборудовании и электроприборах высокого напряжения.

транзисторы – основные компоненты современной силовой электроники

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц. Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, – транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Владимир Дьяконов

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается.

Это – важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний – General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Смотрите также: Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения

Андрей Повный

Источник: http://electrik. info

БТИЗ – биполярные транзисторы с изолированным затвором

Обзор

IGBT Discretes, Press Pack, силовые модули и даже стековые решения в различных классах напряжения и тока.

Наш ассортимент продукции IGBT включает широкий спектр различных устройств. Эти продукты предназначены для широкого спектра применений в области автомобильной промышленности, тяги, передачи энергии, промышленных и бытовых систем. Наши решения обеспечивают очень низкие потери мощности в прямом и заблокированном состояниях, требуют малой мощности привода и обладают высокой эффективностью. БТИЗ выдерживают напряжение до 6,5 кВ и работают на частоте коммутации от 2 кГц до 50 кГц.

Благодаря широкому портфелю технологий промышленные и силовые IGBT-транзисторы рассчитаны на превосходную токовую и более высокую импульсную нагрузку при сверхнизком энергопотреблении.

БТИЗ — биполярные транзисторы с изолированным затвором, подкатегории

Свернуть все подкатегории Развернуть все подкатегории

Основные моменты

Выберите один из основных продуктов для получения подробной информации

Общее описание нашего ассортимента IGBT

Мы предлагаем широкий ассортимент микросхем IGBT, собранных в дискретные пластиковые корпуса, так называемые дискретные IGBT, которые доступны как одиночные IGBT и упакованы вместе с диодом свободного хода. Эти устройства подходят для таких приложений, как инверторы общего назначения, солнечные инверторы, ИБП, индукционный нагрев, крупная бытовая техника, сварка и импульсные источники питания. Преимуществами дискретных IGBT являются высокая плотность тока и низкое рассеивание мощности, что приводит к более высокой эффективности и меньшему теплоотводу, что позволяет снизить общую стоимость системы.

Более крупные устройства, формирующие базовые строительные блоки силового электронного оборудования, считаются силовыми модулями, обычно сочетающими в себе IGBT и диодные кристаллы в различных топологиях. С помощью высокопроизводительных компонентов эти силовые модули могут удовлетворить потребности самых мощных приложений. Продукты Infineon охватывают диапазон от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт, от универсальных силовых интегрированных модулей с выпрямителем, тормозным прерывателем и до инвертора. Приводы общего назначения, сервоприводы и приложения для возобновляемых источников энергии, такие как солнечные инверторы или ветряные установки, выигрывают от выдающейся производительности, эффективности и долговечности этих высоконадежных продуктов.

Семейство HybridPACK™, представляющее собой специальную серию продуктов с автомобильной квалификацией, предназначено для поддержки усилий дизайнеров в области электрической мобильности. Infineon также поддерживает автомобильную промышленность, предоставляя различные дискретные силовые полупроводниковые приборы IGBT, сертифицированные в соответствии с AECQ101.

Чтобы упростить настройку лабораторного эксперимента или первого прототипа, Infineon помогает, предоставляя оценочные платы для большинства продуктов, чтобы ускорить циклы разработки. Таким образом, окончательные результаты могут быть получены в кратчайшие сроки.

Это также может вас заинтересовать

IGBT — основные ноу-хау: как работает биполярный транзистор с изолированным затвором?

Узнайте о конкретной технологии и предпочтительных областях применения IGBT, а также о различиях между IGBT и MOSFET.

> Войдите в систему и получите всесторонний обзор того, как работает IGBT.

Документы

Поддержка дизайна

Видео

Делиться Делиться Делиться

Партнеры

Обучение

Как выбрать драйвер затвора для дискретных элементов и модулей IGBT

В ходе этого обучения вы узнаете, как рассчитать значение сопротивления затвора для приложения IGBT, как определить подходящие ИС драйвера затвора на основе требований к пиковому току и рассеиваемой мощности, а также как точно настроить значение сопротивления затвора в лабораторных условиях на основе наихудших условий.

Тепловое сопротивление и принципы измерения для дискретных элементов и модулей

В этом обучении вы можете ожидать начальный обзор важных понятий, таких как тепловое сопротивление (Zth), тепловое сопротивление (Rth), температура виртуального перехода (Tvj) и температура радиатора ( ть).
Затем вы поймете, как определить как кривые теплового сопротивления (принцип измерения), так и температуру перехода.
В последних разделах этого тренинга вам будут представлены некоторые задачи и оптимизация измерений Rth и Zth, включая их оценку.

Приложения

Поддержка

Контакт

Биполярный транзистор с изолированным затвором

IGBT » Electronics Notes

IGBT используются для многих силовых переключений и других силовых приложений, и они представляют собой объединение технологий полевых транзисторов и биполярных транзисторов.

---

Полевые транзисторы, полевые транзисторы Включает:
основы полевого транзистора Технические характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Мощный МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор ХЕМТ И ФЕМТ Технология FinFET БТИЗ Карбид кремния, SiC MOSFET GaN FET / HEMT

---

Биполярные транзисторы с изолированным затвором или IGBT представляют собой дискретные полупроводниковые устройства, которые обычно используются для силовых приложений: источники питания, силовые переключатели и т. д.

Преимущество IGBT-транзисторов состоит в том, что они сочетают в себе многие характеристики МОП-транзисторов и биполярных транзисторов, обеспечивая возможность обработки высокого напряжения и тока биполярных транзисторов с высокой скоростью переключения и низким током затвора мощных МОП-транзисторов.

Типовое дискретное полупроводниковое устройство IGBT

Потребность в биполярных транзисторах с изолированным затвором, IGBT, возникла из-за того, что как МОП-транзисторы, так и транзисторы с биполярным переходом, BJT, имеют свои ограничения, особенно когда речь идет о сильноточных приложениях.

Соответственно, изобретение IGBT-транзистора позволило объединить преимущества обоих типов устройств в одном полупроводниковом устройстве.

БТИЗ также упоминается под несколькими другими именами, включая: и IGT: транзистор с изолированным затвором, IGR: выпрямитель с изолированным затвором, COMFET: полевой транзистор с модуляцией проводимости, GEMFET: МОП-транзистор с улучшенным коэффициентом усиления, BiFET: биполярный полевой транзистор и инжекторный полевой транзистор.

История и развитие БТИЗ

Эта форма полупроводникового устройства была впервые продемонстрирована в 1979 году исследователем по имени Балига, а затем в 1980 году Пламмером и Шарфом, а также Лейпольдом, а затем Тиханьи.

Эти первоначальные результаты были затем расширены пару лет спустя, в 1982 году, Бекке и Уитли, а также Балига.

Хотя первоначальная концепция была установлена, устройство не использовалось в коммерческих целях в электронных схемах до конца 19 века.80-е годы. По прошествии этого времени технология не только улучшилась, но и ее использование увеличилось, поскольку технология стала более устоявшейся, и инженеры увидели, как эти устройства можно использовать в своих электронных конструкциях для переключения питания и других приложений питания.

символ цепи IGBT

Как и следовало ожидать, символ схемы для биполярного транзистора с изолированным затвором, IGBT сочетает в себе биполярный транзистор и полевой МОП-транзистор.

Символ схемы IGBT

Из символа схемы видно, что IGBT имеет три вывода: коллектор, эмиттер и затвор, а устройства, из представления символа схемы, имеют основной ток, протекающий между коллектором и эмиттером, аналогичный протеканию биполярного транзистора. а управляющая клемма представляет собой затвор, аналогичный затвору полевого МОП-транзистора.

IGBT, биполярный транзистор с изолированным затвором, основы

IGBT

имеют три вывода, как и полевые МОП-транзисторы с одним затвором и биполярные транзисторы, но внутри они состоят из четырех слоев полупроводника чередующихся P и N типов.

Устройство является однонаправленным, в отличие от силового полевого МОП-транзистора, который является двунаправленным, и хотя структура IGBT кажется такой же, как у тиристора с МОП-затвором, действие тиристора подавляется, и происходит только действие транзистора.

БТИЗ рассчитан на быстрое отключение, поэтому его часто используют для создания сигналов с широтно-импульсной модуляцией. При использовании с фильтрами нижних частот это позволяет этим устройствам управлять потоком мощности на различные формы нагрузки.

Сравнение IGBT, мощных полевых МОП-транзисторов и мощных биполярных транзисторов
Характеристика	БТИЗ	Мощный МОП-транзистор	Мощность биполярная
Текущий рейтинг	Высокий	Низкий	Высокий
Номинальное напряжение	Очень высокий	Высокий	Высокий
Скорость переключения	Средний	Быстро	Медленный
Входное сопротивление	Высокий	Высокий	Низкий
Полное выходное сопротивление	Низкий	Средний	Низкий

Преимущества и недостатки IGBT

Как и следовало ожидать, IGBT имеют ряд преимуществ и недостатков по сравнению с другими полупроводниковыми устройствами, такими как биполярный транзистор или мощный полевой МОП-транзистор, и их необходимо тщательно сбалансировать при рассмотрении возможности их использования в электронной конструкции.

Преимущества IGBT

• Обладает высокими характеристиками по напряжению и току по сравнению с биполярным транзистором или мощным MOSFET
• Обычно они не фиксируются так, как тиристоры
• Может переключать высокие уровни тока с помощью низкого управляющего напряжения
• IGBT имеет очень низкое сопротивление, что идеально подходит для многих приложений с силовым переключением
• Обладает очень высоким входным сопротивлением
• Управляется напряжением (как МОП-транзистор), поэтому для переключения высоких уровней тока требуется очень небольшой ток
• Сигналы управления затвором просты в реализации и не требуют сложной схемы. Простое положительное напряжение для включения IGBT и ноль для его выключения
• Высокая плотность тока и, следовательно, малый фактический размер кремниевой микросхемы, а это означает меньшие размеры корпусов для данного уровня тока
• Более высокий коэффициент усиления по мощности, чем у биполярного транзистора или полевого МОП-транзистора
• IGBT имеет более высокую скорость переключения по сравнению с биполярным транзистором
• Они демонстрируют более низкое отношение емкости затвор-коллектор к емкости затвор-эмиттер, чем конкурирующие устройства, и это приводит к улучшенным характеристикам эффекта обратной связи Миллера – в результате они переключаются быстрее, чем биполярные транзисторы

Недостатки IGBT

• Однонаправленный – не может работать с сигналами переменного тока без дополнительной схемы
• Обладает более низкой скоростью переключения, чем MOSFET
.
• Не удается заблокировать высокое обратное напряжение
• Могут возникнуть проблемы с фиксацией из-за структуры PNPN, которая имеет тиристорную структуру внутри устройства, хотя уровни легирования должны подавлять действие тиристора
• Дороже, чем биполярный транзистор или мощный МОП-транзистор

Это некоторые из наиболее очевидных преимуществ и недостатков использования IGBT, но могут быть и другие соображения при изучении возможности их использования для конкретной электронной конструкции.

Благодаря своим преимуществам IGBT популярны во многих коммутационных устройствах средней мощности. Их можно использовать с переменным током, но для обеспечения двунаправленной работы им требуются дополнительные схемы.

Для двунаправленной работы IGBT обычно требуется два устройства с противоположной полярностью, чтобы обеспечить возможность согласования обеих половин цикла: эти схемы идеально подходят для силовой коммутации и других силовых приложений.

Применение БТИЗ

Биполярный транзистор IGBT с изолированным затвором используется во многих силовых приложениях.

Эти полупроводниковые устройства очень полезны для многих электронных схем, потому что они пересекают границы между технологией биполярных транзисторов и мощными полевыми транзисторами. Это означает, что они используются в различных силовых установках:

• Различные формы управления двигателем и тягой
• Импульсные источники питания
• Преобразователи постоянного тока в переменный
• Широтно-импульсная модуляция для различных арен
• Электроприводы переменного и постоянного тока
• Управление различными формами индуктивной нагрузки

Типовое дискретное полупроводниковое устройство IGBT

Физическая структура IGBT

Структура IGBT представляет собой относительно сложный полупроводниковый прибор по сравнению с базовым биполярным транзистором или полевым МОП-транзистором.

IGBT использует оба типа носителей, то есть дырки и электроны, для работы полупроводникового устройства.

Вход похож на полевой МОП-транзистор и обеспечивает высокое входное сопротивление и рабочее напряжение для устройства, а выход похож на выход биполярного транзистора.

На самом деле устройство можно рассматривать как тиристор с MOSFET-транзистором на входе, точнее, этот входной элемент представляет собой устройство DMOS.

Это видно из эквивалентной схемы IGBT.

Эквивалентная схема IGBT

В этой эквивалентной схеме видны различные компоненты. Вход представляет собой полевой МОП-транзистор, а на его выходе — сопротивление Rd, которое представляет собой сопротивление области дрейфа. TR2 — это паразитный NPN-транзистор, который фактически присутствует в любом MOSFET и, следовательно, во всех IGBT.

Область корпуса устройства имеет определенное сопротивление, которое обозначается Rb.

Два транзистора, TR1 и TR2, образуют паразитную тиристорную структуру. Действие тиристора подавляется путем обеспечения таких уровней легирования, чтобы общий коэффициент усиления был меньше единицы. Если NPN-транзистор TR2 когда-либо включается, а коэффициенты усиления TR1 и TR2 превышают единицу, происходит защелкивание. Однако проблемы с защелкиванием обычно удается избежать благодаря структуре устройства и уровням легирования.

Используя эту структуру, можно достичь низкого напряжения насыщения, аналогичного низкому сопротивлению в открытом состоянии, обеспечиваемому полевыми МОП-транзисторами, при сохранении относительно быстрой характеристики переключения.

Хотя характеристики переключения относительно быстрые, следует помнить, что они все же уступают характеристикам мощного полевого МОП-транзистора.

Фактическая физическая структура IGBT состоит из четырех слоев, и хотя точная используемая структура будет меняться от одного производителя к другому или даже от разных линеек одного и того же производителя, основные принципы останутся неизменными. Область N+ вокруг эмиттера присутствует не во всех этих полупроводниковых устройствах, как подробно описано ниже в разделе, описывающем различные типы IGBT

Физическая структура вертикального N-канального IGBT

Из структуры видно, что он во многом похож на тиристор, в частности, на управляемый МОП-транзистор, но работает совершенно по-другому.

В структуре, показанной выше, есть несколько областей, каждая из которых выполняет различные функции в рамках всего устройства.

• Область подачи подложки P+:   Это ближайший к коллектору слой, который часто называют областью подачи. Это низкоомная подложка.
• Область дрейфа N-:   Над подложкой P+ присутствует область материала N-. Это известно как область дрейфа. Толщина этой области определяет запирающую способность IGBT, и эта область обычно может иметь толщину около 50 мкм и быть слегка легированной с уровнем легирования, возможно, около 10 ¹⁴ см ^-3 .
• Слой P+, область корпуса:   Он состоит из слоя P+ и во многих БТИЗ находится ближе всего к эмиттеру.
• Слой N+ в области корпуса:   В некоторых БТИЗ есть слой N+, ближайший к эмиттеру.

Как и тиристор, БТИЗ обычно изготавливают с использованием кремния, так как он обеспечивает хорошую теплопроводность и позволяет пробивать при высоком напряжении.

Обычно устройства изготавливаются в виде отдельных дискретных элементов, поскольку изготовление нескольких устройств на одном кристалле часто приводит к поломке.

Хотя вертикальная структура была показана выше, также возможно использовать структуру материала для IGBT, как показано ниже. Это менее распространено, но все же используется.

N-канальный IGBT – боковая структура

Наиболее распространенным форматом для IGBT является N-канальный, хотя возможно изготовление дополнительных устройств с использованием P-канала. Они имеют противоположные типы легирования и работают с обратной полярностью напряжения.

Чаще всего используются термины затвор, коллектор и эмиттер, хотя широко используются затвор, анод, катод, а иногда можно увидеть сток затвор-исток.

Типы БТИЗ

Транзистор

IGBT можно классифицировать двумя основными способами в зависимости от того, имеют ли они буферный слой N+ в P-слое, ближайшем к эмиттерному электроду.

В зависимости от того, имеют ли они N+, позже они упоминаются либо как сквозные IGBT, либо как непробочные IGBT.

• Проходные IGBT, PT-IGBT: Проходные IGBT, PT-IGBT имеют область N+ у эмиттерного контакта. Из-за структуры PT-IGBT иногда называют асимметричными IGBT
.
• БТИЗ без пробивки, NPT-IGBT :   БТИЗ без пробивки не имеют дополнительной области N+ у эмиттерного контакта. Благодаря структуре NPT-IGBT их также называют симметричными IGBT.

БТИЗ PT и NPT имеют ряд различных свойств, обусловленных их структурой.

Хотя различия не всегда очень значительны, выбор типа NPT IGBT или PT IGBT может существенно повлиять на конструкцию схемы.

• Потери при переключении:   Для данного V _CE(on) PT IGBT будет иметь более высокую скорость переключения и, соответственно, более низкую общую энергию переключения. Это происходит из-за более высокого коэффициента усиления и уменьшения времени жизни неосновных носителей, что снижает хвостовой ток.
• Надежность :  Одна из важных проблем — устойчивость к току короткого замыкания. Обычно NPT IGBT рассчитаны на короткое замыкание, а PT IGBT — нет.

  В целом, технология NPT более надежна и надежна благодаря более широкой базе и меньшему коэффициенту усиления биполярного транзистора PNP внутри конструкции. Это главное преимущество полупроводникового устройства NPT, хотя его необходимо компенсировать скоростью переключения.

  Что касается максимальных напряжений, то трудно изготовить PT-IGBT с напряжением коллектор-эмиттер больше примерно 600 вольт, в то время как это легко достигается при использовании топологий NPT. Это может повлиять на выбор полупроводникового устройства для любой данной электронной конструкции.

• Влияние температуры :   Для PT и NPT IGBT скорость включения практически не зависит от температуры. Однако один эффект, который может повлиять на любую конструкцию схемы, заключается в том, что обратный ток восстановления в диоде увеличивается с температурой, и, таким образом, влияние внешнего диода может повлиять на потери при включении в схеме.

  Что касается потерь при выключении, то для устройств NPT скорость и потери при переключении остаются практически постоянными во всем диапазоне температур. Для PT IGBT снижается скорость выключения и, следовательно, увеличиваются коммутационные потери. Однако потери обычно в любом случае невелики, и поэтому маловероятно, что они окажут какое-либо заметное влияние на большинство электронных конструкций.

В любой конструкции электронной схемы необходимо сбалансировать преимущества и характеристики обоих типов IGBT. Конкретная электронная конструкция будет диктовать многие требования к устройству, и, следовательно, выбор типа устройства будет исходить из этого.

Характеристики БТИЗ

IGBT — это устройство, управляемое напряжением, что неудивительно, поскольку вход представляет собой изолированный затвор, где напряжение управляет проводимостью.

Полупроводниковому устройству требуется только относительно небольшое напряжение на затворе, чтобы обеспечить проводимость – часто 6-10 вольт. Однако эти полупроводниковые устройства являются только однонаправленными, и поэтому они могут управлять током только в одном направлении.

Легко построить передаточную характеристику, показывающую зависимость входного напряжения или напряжения затвора от тока коллектора.

Передаточная характеристика типичного IGBT

Существуют различные состояния устройства. Первоначально, когда на затвор не подается напряжение или разность потенциалов, устройство IGBT находится в состоянии «выключено» и ток не течет.

Однако по мере роста потенциала на клемме затвора он в конечном итоге достигает точки, в которой пороговое напряжение превышено. В этот момент устройство начнет проводить ток, и между коллектором и эмиттером в цепи начнет течь ток.

Глядя на характеристики выхода полупроводникового прибора IGBT, можно выделить три различных области его работы в зависимости от напряжения затвор-эмиттер, В _GE

• V _GE = 0:   В этой области полупроводниковый прибор находится в состоянии «ВЫКЛ», и ток между коллектором и эмиттером отсутствует.
• 0 < V _GE < порог:   Как V _GE начинает расти, виден небольшой ток утечки, но устройство все еще не находится в проводящем состоянии.
• В _GE > порог:  После достижения порогового напряжения устройство переходит в режим проведения с полупроводниковым устройством в его активной области. Ток, который может протекать через устройство, зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Выходная характеристика типичного IGBT

Обычно IGBT переключаются между полностью выключенным и полностью включенным состояниями. Они используются в силовом переключении: источники питания, широтно-импульсная модуляция и т. д. Низкое сопротивление «включено» снижает уровень рассеивания мощности в любой ситуации с электронным дизайном.

Корпуса БТИЗ

IGBT можно купить в различных форматах. Они доступны в виде стандартных полупроводниковых устройств, часто в корпусах типа TO247, TO220 и т. д. или аналогичных, а также в корпусах для поверхностного монтажа, таких как SC-74, SOT-457 и многих других. Ввиду больших коммутационных возможностей многих устройств IGBT они, как правило, поставляются в более крупных корпусах.

IGBT также доступны в модульном формате. Эти модули IGBT представляют собой сборку или модуль, содержащий несколько устройств IGBT. Они могут быть подключены в одной из нескольких конфигураций, таких как полумост, 3-уровневый, двойной, прерыватель, бустер и т.