Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются новым типом активного прибора, который появился сравнимо не так давно. Его входные свойства подобны входным чертам полевого транзистора, а выходные – выходным чертам биполярного.

В литературе этот прибор именуют IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). По быстродействию они существенно превосходят биполярные транзисторы. В большинстве случаев IGBT-транзисторы употребляют в качестве массивных ключей, у каких время включения 0,2 — 0,4 мкс, а время выключения 0,2 — 1,5 мкс, коммутируемые напряжения добиваются 3,5 кВ, а токи 1200 А.

IGBT-транзисторы теснят тиристоры из высоковольтных схем преобразования частоты и позволяют сделать импульсные источники вторичного электропитания с отменно наилучшими чертами. IGBT-транзисторы употребляются довольно обширно в инверторах для управления электродвигателями, в массивных системах бесперебойного питания с напряжениями выше 1 кВ и токами в сотки ампер. В некий степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотки ампер падение напряжения на транзисторе находится в границах 1,5 — 3,5В.

Как видно из структуры IGBT-транзистора (рис. 1), это довольно непростой прибор, в каком транзистор типа р–n–р управляется МОП-транзистором с каналом типа n.

 

Коллектор IGBT-транзистора (рис. 2,а) является эмиттером транзистора VT4. При подаче положительного напряжения на затвор у транзистора VT1 по-является электропроводный канал. Через него эмиттер транзистора IGBT (коллектор транзистора VT4) оказывается соединенным с базой транзистора VT4.

Это приводит к тому, что он стопроцентно отпирается и падение напряжения меж коллектором транзистора IGBT и его эмиттером становится равным падению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4, просуммированному с падением напряжения Uси на транзисторе VT1.

В связи с тем, что падение напряжения на р–n-переходе миниатюризируется с повышением температуры, падение напряжения на отпертом IGBT-транзисторе в определенном спектре токов имеет отрицательный температурный коэффициент, который становится положительным при большенном токе. Потому падение напряжения на IGBT-транзисторе не опускается ниже порогового напряжения диодика (эмиттерного перехода VТ4).

Рис. 2. Эквивалентная схема IGBT-транзистора (а) и его условное обозначение в российскей (б) и зарубежной (в) литературе

При увеличении напряжения, приложенного к транзистору IGBT, возрастает ток канала, определяющий ток базы транзистора VT4, при всем этом падение напряжения на IGBT-транзисторе миниатюризируется.

При запирании транзистора VT1 ток транзистора VT4 становится малым, что позволяет считать его запертым. Дополнительные слои введены для исключения режимов работы, соответствующих для тиристоров, когда происходит лавинный пробой. Буферный слой n+ и широкая базисная область n– обеспечивают уменьшение коэффициента усиления по току p–n–p-транзистора.

Общая картина включения и выключения довольно непростая, потому что наблюдаются конфигурации подвижности носителей заряда, коэффициентов передачи тока у имеющихся в структуре p–n–p- и n–p–n-транзисторов, конфигурации сопротивлений областей и пр. Хотя в принципе IGBT–транзисторы могут быть применены для работы в линейном режиме, пока в главном их используют в главном режиме.

При всем этом конфигурации напряжений у коммутируемого ключа характеризуются кривыми, показанными на рис.3.

 

Рис. 4. Схема замещения транзистора типа IGBT (а) и его вольт-амперные свойства (б)

Исследования проявили, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превосходят 0,5 — 1,0 мкс. Для уменьшения количества дополнительных наружных компонент в состав IGBT-транзисторов вводят диоды либо выпускают модули, состоящие из нескольких компонент (рис. 5, а – г).

Рис. 5. Условные обозначения модулей на IGBT-транзисторах: а – МТКИД; б – МТКИ; в – М2ТКИ; г — МДТКИ

Условные обозначения IGBT-транзисторов включают: буковку М – модуль беспотенциальный (основание изолировано); 2 – количество ключей; буковкы ТКИ – биполярный с изолированным затвором; ДТКИ – диодик/биполярный транзистор с изолированным затвором; ТКИД – биполярный транзистор с изолированным затвором/диодик; числа: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 – наибольший ток; числа: 1, 2, 5, 6, 10, 12 – наибольшее напряжение меж коллектором и эмиттером Uкэ (*100В). К примеру модуль МТКИД-75-17 имеет UКЭ =1700 В, I=2*75А, UКЭотк =3,5 В, PKmax =625 Вт.

д.т.н., доктор Л. А. Потапов

Школа для электрика