IGBT – силовые транзисторы - Принцип действия биполярного транзистора с изолированным Затвором (IGBT)

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про igbt, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое igbt, силовые транзистор, транзистор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

Напомним что такое полупроводниковые триоды, называемые транзистор ами, служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: очень большим сроком службы, малыми размерами, большой механической прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначительным собственным потреблением энергии.
Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной проводимостью.

IGBT – силовые транзистор ы Insulated Gate Bipolar Transistor - новый класс силовых приборов, совмещающих в себе преимущества биполярных и полевых транзисторов.
Управление током в таких приборах осуществляется напряжением подаваемым на затвор.
IGBT впервые разработан в научно-исследовательской лаборатории фирмы General Elektrik и выпущен на рынок фирмой Motorola.
IGBT представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от низковольтного полевого МОП- транзистора с индуцированным каналом через высоковольтный n-канал.

Обозначение IGBT

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные транзисторы (BPT) и идущие им на смену полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) .

MOSFET транзисторы, появившиеся в 80-х годах, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке. Высоковольтных MOSFET транзисторов с достаточно хорошими характеристиками создать пока не удается, так как сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД.

В середине 80-х годов возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине 90-х годов в каталогах ряда компаний (среди которых одной из первых была International Rectifier) появились транзисторы IGBT. В настоящее время в каталогах всех ведущих производителей мощных полупроводниковых приборов можно найти эти транзисторы.

Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.

IGBT-прибор представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного MOSFET-транзистора с индуцированным каналом (рис. 1,а).

Рис. 1. Эквивалентные схемы IGBT транзистора

IGBT-приборы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и MOSFET-транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации). В то же время потери у них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у полевых транзисторов. Максимальное напряжение IGBT-транзисторов ограничено только технологическим пробоем и уже сегодня выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4000 В. при этом остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии не превышает 2…3 В.

По быстродействию силовые IGBT-приборы пока уступают MOSFET-транзисторам, но превосходят биполярные.

Структура и устройство IGBT транзистора

Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис. 2а. Она содержит в стоковой области дополнительный p+-слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи. При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обедненной области эпитаксиального n–-слоя. При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора. Между внешними выводами ячейки ? коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП транзистора оказывается усиленным в (B+1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n–-область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.

Рис.2. Структуры элементарных ячеек IGBT транзисторов

Напряжение на открытом приборе складывается из напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе p-n-p-транзистора (диодная составляющая) и падения напряжения на сопротивлении модулируемой n–-области (омическая составляющая):

,

где RМДП - сопротивление MOSFET транзистора в структуре IGBT (сопротивление эпитаксиального n–-слоя); b - коэффициент передачи базового тока биполярного p-n-p-транзистора.

В настоящее время для уменьшения падения напряжения на IGBT транзисторах в открытом состоянии, расширения диапазонов допустимых токов, напряжений и области безопасной работы они изготавливаются по технологии с вертикальным затвором - trench-gate technology (рис. 2б). При этом размер элементарной ячейки уменьшается в 2…5 раз.

Как правило, в области рабочих токов, на которые проектируется структура IGBT, остаточное напряжение на приборе слабо зависит от температуры (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость падения напряжения на открытом приборе от температуры для высоковольтного MOSFET транзистора IRF840 и IGBT транзисторов при токе 10 А

Усилительные свойства IGBT-прибора характеризуются крутизной S, которая определяется усилительными свойствами МДП и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП транзисторами.

Динамические характеристики IGBT структуры определяются внутренними паразитными емкостями, состоящими из межэлектродных емкостей МДП транзистора и дополнительных емкостей p-n-p-транзистора.

Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2…0,4 и 0,2…1,5 мкс соответственно. Область безопасной работы современных IGBT транзисторов позволяет успешно обеспечить их надежную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц.

Типовые характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис. 4-6 .

Рис. 4. Семейство выходных вольт-амперных характеристик IGBT-транзистора

Рис. 5. Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвор-эмиттер

Рис. 6. Динамические характеристики IGBT транзисторов(для полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой): td(on) и td(off) - времена задержки переключения; tr - время нарастания коллекторного тока; tf - время спада коллекторного тока

В общем случае выход из строя IGBT-транзисторов связан с нарушением границ области безопасной работы. Основная часть аварийных ситуаций связана с превышением максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер. Индуктивная нагрузка и переходные режимы напряжения питания коллекторной цепи также могут вызвать разрушение IGBT-приборов. В настоящее время, нет проблем купить IGBT транзисторы. Интернет магазин Dalincom предлагает большой выбор современных IGBT транзисторов по низим ценам.

Неприятной особенностью IGBT-транзисторов некоторых производителей является эффект "защелки", который связан с наличием триггерной схемы, образованной биполярной частью IGBT-структуры и паразитным n-p-n транзистором (рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 1б). При определенных условиях работы, когда напряжение на паразитном резисторе Rs превышает некоторое пороговое значение, n-p-n транзистор открывается, триггер опрокидывается и происходит защелкивание. Следствием этого, как правило, является лавинообразный выход прибора из строя.

При разработке электронных схем с использованием IGBT-транзисторов в которых такая ситуация возможна, следует особое внимание уделять ограничению максимальных токов и ограничению dV/dt. Для ограничения тока короткого замыкания при аварийном режиме рекомендуется включение между затвором и эмиттером защитной цепи, предотвращающей увеличение напряжения затвор-эмиттер при резком нарастании тока коллектора. Наилучшим вариантом является подключение параллельно цепи затвор-эмиттер последовательно соединенных диода Шоттки и конденсатора, заряженного до напряжения +15…+16 В. Допускается применение в качестве защитного элемента стабилитрона на напряжение 15…16 В.

Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер следует применять снабберные RC- и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах .

Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для нормального включения и перевода IGBT-транзистора в состояние насыщения при обеспечении минимальных потерь в этом состоянии необходим заряд входной емкости прибора (1000…5000 пФ) до +15 В ±10%. Перевод прибора в закрытое состояние может осуществляться как подачей нулевого напряжения, так и отрицательного - не более –20 В (обычно в пределах –5…–6 В). Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер не должно превышать +20 В. Превышение этого напряжения может пробить изоляцию затвора и вывести прибор из строя. Не рекомендуется работа IGBT-транзистора и при "подвешенном" затворе, так как в противном случае возможно ложное включение прибора.

С целью снижения динамических потерь и увеличения частоты коммутации необходимо обеспечить малое время переключения прибора. Время переключения для большинства ключей на IGBT-транзисторах лежит в пределах 100…1000 нс, что требует обеспечивать перезаряд входной емкости в течение короткого времени с помощью токовых пиков до 5 А и более. Необходимо также уменьшать отрицательную обратную связь, которая может возникнуть из-за индуктивности слишком длинного соединительного проводника к эмиттеру прибора.

Длина соединительных проводников между управляющей схемой и мощным полевым транзистором должна быть минимальной для исключения помех в цепи управления. Для соединения целесообразно использовать витую пару минимальной длины или прямой монтаж платы управляющей схемы на выводы управления транзистора. Если не удается избежать длинных проводников в цепи затвора, то в качестве меры предосторожности необходимо включить последовательно с затвором резистор с небольшим сопротивлением. Обычно достаточно, чтобы сопротивление этого резистора лежало в диапазоне 100…200 Ом.

Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как, например, КМОП-приборы, из-за того, что входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему. Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10…20 кОм.

Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис. 7.

Рис. 7. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов

Компания International Rectifier (IR) выпускает четыре семейства IGBT-транзисторов, ориентированных на применение в различных областях силовой электроники. Разделение по классам идет по диапазону рабочих частот. Так выделяют семейства Standart, Fast, UltraFast, Warp (табл. 1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики различных семейств IGBT-транзисторов компании IR

Транзисторы семейства Standart оптимизированы на применение в цепях, где необходимо малое падение напряжения на ключе и малые статические потери.

Транзисторы семейства UltraFast и Warp оптимизированы на применение в ВЧ цепях, где необходимо иметь малые динамические потери. Малая энергия переключения позволяет использовать транзисторы Warp вплоть до частот 150 кГц, а транзисторы UltraFast - до 60 кГц при приемлемом уровне динамических потерь.

Транзисторы семейства Fast являются некоторым компромиссом между рассмотренными семействами. Обладая невысоким падением напряжением и приемлемыми потерями, транзисторы Fast могут использоваться в цепях, где не требуется очень высокие скорости переключения, в схемах, где применение Standart приведет к большим динамическим потерям, а применения Warp приведет к высоким статическим потерям. По скоростям переключения сравнимы с биполярными транзисторами.

В рекомендациях по применению компания International Rectifier указывает, что в IGBT транзисторах нового поколения триггерная структура подавлена полностью. Кроме этого обеспечивается почти прямоугольная область безопасной работы.

Цифро-буквенное обозначение IGBT-транзисторов, выпускаемых компанией приведено на рис. 8.

Рис. 8. Обозначение IGBT-транзисторов компании IR

В табл. 2 приведены параметры IGBT-транзисторов средней мощности с максимальным напряжением 600 В, которые находят широкое применение в бытовой и офисной технике .

Таблица 2. IGBT-транзисторы компании IR

Принцип работы

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного транзистора.
• Мощность сигнала, подаваемого на затвор такого прибора, значительно меньше, чем в биполярных транзисторах, что позволяет использовать менее мощные цепи управления.
• Благодаря высокому быстродействию эти приборы позволяют повысить рабочую частоту силовых систем и за счет этого улучшить КПД и габаритные показатели, т.е. решают проблемы энерго - и ресурсосбережения

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.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• КМОП - матрица
• SRAM ( память )
• Логические элементы
• МОП -структура
• ТТЛ
• полевые транзисторы , полевой транзистор , полупроводниковые триоды , mosfet ,
• эффект защелкивания ,
• моп-структура , моп ,
• кмоп , комплементарная структура металл-оксид-полупроводник ,

Статью про igbt я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое igbt, силовые транзистор, транзистор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база