Характеристики и основные свойства IGBT транзисторов.

Глава 6. Биполярный транзистор с изолированным затвором. (IGBT)

Принцип действия биполярного транзистора с изолированным

Затвором (IGBT)

Развитие полупроводниковой электроники привело к созданию в 1980-х годах новой разновидности мощных устройств, выгодно отличающихся как от полевых транзисторов, так и от биполярных структур (транзисторов и тиристоров).

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) – полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого – трехслойная p-n структура. Его включение и отключение осуществляется подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.

Рис. Структура (а), упрощенная эквивалентная схема (б) и условное обозначение (в) IGBT

 

На рис. представлена структура одной ячейки транзистора. Большое количество таких ячеек , соединенных параллельно, образует полную структуру транзистора, что позволяет получать значительный ток в главной цепи. Верхняя часть структуры, обозначенная на рисунке цифрой 1, представляет собой полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа. Нижняя часть структуры, обозначенная цифрой 2 образует p-n-p биполярный транзистор с переходами П1 и П2.

При приложении положительного потенциала к аноду переход П1 смещается в прямом направлении, а П2 - в обратном. При нулевом потенциале на затворе канал отсутствует и МОП транзистор закрыт. При этом биполярный транзистор работает в режиме с отключенной базой и находится в закрытом состоянии. Структура в этом режиме выдерживает значительные анодные напряжения (не превышающие напряжения пробоя перехода П2). При подаче на затвор положительного напряжения, превышающего пороговое значение 5 – 7 В, в МОП транзисторе формируется проводящий канал и он открывается. Электроны из области истока n⁺ проходят зону p⁺ и поступают в базовую область n(сток). Поскольку эта область одновременно является базой для p-n-p биполярного транзистора, увеличение концентрации электронов в ней приводит к понижению потенциала перехода П1. Усиливается инжекция дырок из нижней p⁺ области , что приводит к росту тока в цепианод –катод. Сопротивление базы при этом снижается, что приводит к снижению падения напряжения на IGBT.

При снятии напряжения на затворе происходит выключение IGBT..

 

Характеристики и основные свойства IGBT транзисторов.

 

Коммерческое использование IGBT началось в 1980-х годах и прошло в четыре стадии, сопровождавшихся повышением прямых напряжений и токов, которые сейчас составляют 4500 В, 1800 А, при частотах до 50 кГц. Этот вид устройств позволил использовать достоинства и избежать недостатков как МОП, так и биполярных структур.

МОП транзисторы обладают высоким входным сопротивлением, высоким

 

быстродействием, но имеют высокое сопротивление канала и высокое остаточное напряжение в открытом состоянии. Приборы с биполярным механизмом имеют низкое сопротивление и остаточное напряжение, но облада-

Рис. Выходные вольтамперные характеристики IGBT	Рис. . Зависимость плотности прямого тока от прямого напряжения для IGBT, силового МОП ПТ и биполярного транзистора

 

ют низким быстродействием, а тиристоры к тому же требуют достаточно большой входной ток.

IGBT транзисторы совмещают достоинства обоих исходных структур. Они имеют высокое входное сопротивление, малое остаточное напряжение в открытом состоянии, высокую плотность тока и высокое быстродействие. На рис. приведены выходные вольтамперные характеристики IGBT транзистора, а на рис. показаны зависимости плотности тока от прямого напряжения для транзисторов IGBT, МОП и биполярных. По кривым видно, что падение напряжения на открытом транзисторе не превышает 4 В. Кроме того, при типичном для приборов с напряжением пробоя 600 В рабочем прямом падении напряжения в 3 В плотность тока IGBT транзистора примерно в 20 раз больше, чем у мощного МОП транзистора.

IGBT транзисторы выполняются в виде модулей с односторонним прижимом или в таблеточном исполнении. Из-за малого входного тока цепи управления – драйверы, компактны и могут входить в структуру прибора. Выпускаются «интеллектуальные» модули, которые помимо драйверов содержат устройства защиты, диагностики, однокристальные ЭВМ. Модули могут содержать по два IGBT , а также шунтирующий диод, включенный в обратном направлении. Для корпусов применяются композитные материалы, которые обеспечивают хорошую изоляцию и отвод тепла.

IGBT транзисторы находят применение при создании широкого ряда преобразователей для электроприводов мощностью до 100 кВт.