Igbt транзистори

Біполярні транзистори з ізольованим затвором є новим типом активного приладу, який з`явився порівняно недавно. Його вхідні властивості подібні вхідним характеристикам польового транзистора, а вихідні - вихідним характеристикам біполярного.

У літературі цей прилад називають IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). По швидкодії вони істотно перевершують біполярні транзистори. У більшості випадків IGBT-транзистори використовують як масивних ключів, у яких час включення 0,2 - 0,4 мкс, а час виключення 0,2 - 1,5 мкс, комутовані напруги домагаються 3,5 кВ, а струми 1200 А.

IGBT-транзистори тіснять тиристори з високовольтних схем перетворення частоти і дозволяють зробити імпульсні джерела вторинного електроживлення з чудово найкращими рисами. IGBT-транзистори вживаються досить широко в інверторах для управління електродвигунами, в масивних системах безперебійного живлення з напругою вище 1 кВ і струмами в сотні ампер. В якійсь мірі це є наслідком того, що у включеному стані при токах в сотки ампер падіння напруги на транзисторі знаходиться в межах 1,5 - 3,5 В.

Як видно зі структури IGBT-транзистора (рис. 1), це досить непростий прилад, в якому транзистор типу р-n-р управляється МОП-транзистором з каналом типа n.

Колектор IGBT-транзистора (рис. 2, а) є емітером транзистора VT4. При подачі позитивного напруги на затвор у транзистора VT1 по-є електропровідний канал. Через нього емітер транзистора IGBT (колектор транзистора VT4) виявляється сполученим з базою транзистора VT4.

Це призводить до того, що він стовідсотково відмикається і падіння напруги між колектором транзистора IGBT і його емітером стає рівним падіння напруги на емітерний перехід транзистора VT4, підсумованим з падінням напруги Uси на транзисторі VT1.

У зв`язку з тим, що падіння напруги на р-n-переході зменшується з підвищенням температури, падіння напруги на відчинене IGBT-транзисторі в певному діапазоні струмів має негативний температурний коефіцієнт, який стає позитивним при великому струмі. Тому падіння напруги на IGBT-транзисторі не опускається нижче порогового напруги діодіка (емітерного переходу VТ4).

Мал. 2. Еквівалентна схема IGBT-транзистора (а) і його умовне позначення у вітчизняній (б) і зарубіжної (в) літературі

При збільшенні напруги, прикладеного до транзистора IGBT, зростає струм каналу, який визначає струм бази транзистора VT4, при цьому падіння напруги на IGBT-транзисторі зменшується.

При замиканні транзистора VT1 струм транзистора VT4 стає малим, що дозволяє вважати його замкненим. Додаткові шари введені для виключення режимів роботи, відповідних для тиристорів, коли відбувається лавинний пробій. Буферний шар n + і широка базова область n- забезпечують зменшення коефіцієнта посилення по току p-n-p-транзистора.

Загальна картина включення і виключення досить непроста, тому що відбувається зміна рухливості носіїв заряду, коефіцієнтів передачі струму у наявних в структурі p-n-p- і n-p-n-транзисторів, конфігурації опорів областей та ін. Хоча в принципі IGBT-транзистори можуть бути застосовані для роботи в лінійному режимі, поки в головному їх використовують в основному режимі.

При цьому конфігурації напружень у комутованого ключа характеризуються кривими, показаними на рис.3.

Мал. 4. Схема заміщення транзистора типу IGBT (а) і його вольт-амперні властивості (б)

Дослідження показали, що для більшості транзисторів типу IGBT часи включення і виключення не перевищують 0,5 - 1,0 мкс. Для зменшення кількості додаткових зовнішніх компонент до складу IGBT-транзисторів вводять діоди або випускають модулі, що складаються з декількох компонент (рис. 5, а - г).

Мал. 5. Умовні позначення модулів на IGBT-транзисторах: а - МТКІД- б - МТКІ- в - М2ТКІ- г - МДТКІ

Умовні позначення IGBT-транзисторів включають: букву М - модуль безпотенційний (підстава ізольовано) - 2 - кількість ключей- букви ТКИ - біполярний з ізольованим затвором- ДТКІ - діодік / біполярний транзистор з ізольованим затвором- ТКІД - біполярний транзистор з ізольованим затвором / діодік- числа: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 - найбільший ток- числа: 1, 2, 5, 6, 10, 12 - максимальна напруга між колектором і емітером Uке (* 100В). Наприклад модуль МТКІД-75-17 має UКЕ = 1700 В, I = 2 * 75А, UКЕотк = 3,5 В, PKmax = 625 Вт.

д.т.н., професор Л. А. Потапов

Школа для електрика