IGBT Биполярные транзисторы с изолированным затвором

IGBT транзисторы становятся всё более частыми элементами в современной силовой электронике. Их сокращение означает Insulated Gate Bipolar Transistor (по нашему БТИЗ — биполярный транзистор с изолированным затвором). Он объединяет управляющий вход с МОП-структурой и биполярный силовой транзистор в одном устройстве, которое действует как выходной переключатель.

Теория работы IGBT транзисторов

Это полупроводниковый прибор с тремя выводами, который сочетает в себе характеристики как биполярных транзисторов с переходом (BJT), так и полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Эти характеристики включают высокое входное сопротивление и низкие потери проводимости в открытом состоянии, что делает IGBT отличным выбором для схем с высокой мощностью.

На схеме изображена конфигурация N-канального IGBT. Контакты соединяют коллектор, эмиттер и затвор с кристаллом. IGBT обладают своими эксплуатационными характеристиками благодаря наличию четырех чередующихся слоев PNPN.

Транзистор IGBT работает в двух основных режимах: режиме прямой блокировки и режиме проводимости.

1. Когда затвор и эмиттер находятся на нулевом потенциале, а коллектор имеет положительное напряжение, J1 и J3 становятся смещенными в прямом направлении, в то время как J2 смещен в обратном направлении, тем самым переводя IGBT в режим прямой блокировки, что предотвращает протекание тока.
2. И наоборот, когда затвор и коллектор имеют положительное напряжение, а эмиттер заземлен, то напряжение приложенное к затвору вызывает эффект инверсии, который создает канал путем соединения n+ и n- материалов вблизи затвора. Это приводит к тому, что электроны в области n+ выталкиваются к центру области n- (области дрейфа), тем самым понижая потенциал на соединении J1 и заставляя «дырки» течь в центральную область n. В конечном итоге приводит к «плазме дырок», которая смещает устройство и обеспечивает проводимость тока.

Как видно из эквивалентной схемы IGBT, если оба пути затвор-эмиттер (GE) и коллектор-эмиттер (CE) смещены положительно, N-канальный МОП-транзистор проводит ток, вызывая протекание тока стока. Ток стока также течет к базе Q PNP и вызывает включение IGBT.

Поскольку коэффициент усиления постоянного тока Q PNP очень мал, почти весь ток эмиттера (I E(pnp)) протекает как ток базы (I B(pnp)). Но часть тока эмиттера протекает как ток коллектора (I C(pnp)). Ток коллектора не включает Q NPN, поскольку он обходит R BE, вставленный между базой и эмиттером Q NPN.

Таким образом, почти весь ток коллектора IGBT протекает как ток стока N-канального МОП-транзистора через пути эмиттер-база Q PNP.

В это время дырки инжектируются в высокоомную область дрейфа N-канального МОП-транзистора из эмиттера Q PNP, что приводит к значительному уменьшению сопротивления дрейфовой области (Rd (MOS)) и снижению сопротивления в открытом состоянии в течение периода проводимости. Это явление называется модуляцией проводимости.

Обратите внимание, что модуляция проводимости — это процесс увеличения проводимости полупроводника посредством легирования, термических процессов, диффузии или электрического воздействия. Она происходит когда проводимость увеличивается в течение периода проводимости, что снижает удельное сопротивление. Проще говоря, если MOSFET не активен, то BJT не проводит ток. С другой стороны, если MOSFET включен, BJT будет проводить ток, поскольку создается путь тока к базе BJT, позволяя току течь через базу.

Что касается скорости переключения, то биполярные транзисторы подходят для средних частот, тогда как полевые МОП-транзисторы поддерживают диапазон частот более высоких.

Сравнительная таблица IGBT MOSFET и BJT

Вот таблица сравнения IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) с полевыми транзисторами (MOSFET) и биполярными транзисторами (BJT) по основным характеристикам:

1. Скорость переключения:
   • MOSFET имеет очень высокую скорость переключения, что делает его идеальным для высокоскоростных приложений (например, в компьютерных устройствах).
   • IGBT имеет среднюю скорость переключения, что делает его менее подходящим для высокоскоростных применений, но идеальным для мощных промышленных приложений с высокими токами и напряжениями.
   • BJT имеет относительно медленную скорость переключения и ограничивает его применение в высокоскоростных схемах.
2. Напряжение и ток:
   • IGBT работает при очень высоких напряжениях и токах, что делает его идеальным для использования в промышленности и энергетике.
   • MOSFET хорошо работает на среднем напряжении и токах, и часто используется в меньших устройствах, таких как мобильные телефоны, телевизоры и компьютеры.
   • BJT ограничен по максимальному напряжению, но способен работать при очень высоких токах.
3. Потери на переключение и проводимость:
   • IGBT имеет умеренные потери на проводимость и переключение, особенно при больших токах, что требует хорошей системы охлаждения.
   • MOSFET имеет низкие потери на переключение, но с увеличением напряжения и тока потери на проводимость могут расти.
   • BJT имеет высокие потери на проводимость и переключение, особенно при больших токах, что также требует хорошего охлаждения.
4. Применение:
   • IGBT используется в приложениях с высокими токами и напряжениями, таких как инверторы, преобразователи частоты и системы управления двигателями.
   • MOSFET идеально подходит для низковольтных и высокоскоростных приложений, таких как силовые блоки в электронных устройствах и мобильных устройствах.
   • BJT часто используется в усилительных схемах и в приложениях, где важен высокий ток, но не столь важна скорость переключения.

Каждый тип транзистора имеет свои сильные и слабые стороны. Выбор зависит от конкретных требований: IGBT идеально подходит для высоковольтных и высокотоковых приложений, MOSFET — для быстрых и низковольтных систем, а BJT часто используется там, где нужны высокие токи, но не столь важна скорость переключения.

Итого, IGBT — это биполярное устройство, которое использует два типа носителей, электроны и дырки, что является результатом композитной конфигурации, которая включает структуру МОП-транзистора на входе и биполярную структуру на выходе. Это создает мощный транзистор, который может достигать низкого напряжения насыщения со сравнительно быстрыми характеристиками переключения. Но хотя IGBT и обладает сравнительно быстрыми характеристиками переключения, он все равно уступает мощному MOSFET.

Во многих устройствах IGBT существует режим, в котором ток свободного хода течет от эмиттера к коллектору. Для этой операции диод свободного хода (FWD) подключается антипараллельно к IGBT. Транзистор содержит антипараллельный диод на том же чипе. Устройство известно как IGBT с обратной проводимостью RC-IGBT. Способность таких RC-IGBT транзисторов к обратной проводимости может заменить и устранить обратные диоды. Это способствует увеличению площади монтажа чипа для более крупных чипов с более высоким номинальным током. Большая площадь чипа также значительно уменьшает тепловое сопротивление перехода к корпусу.

Практические занятия с IGBT

Как видите, транзистор IGBT представляет собой нечто среднее между MOSFET и BJT, обладающий быстрой коммутационной способностью MOSFET и способный выдерживать высокие значения тока, типичные для BJT. Кроме того, они имеют более низкое падение напряжения в открытом состоянии и способны блокировать более высокие напряжения. IGBT можно смоделировать как PNP-транзистор, управляемый мощным MOSFET.

Эквивалентная схема для входа IGBT такая же, как у MOSFET, и является исключительно емкостной. Это позволяет использовать драйвер напряжения, что означает возможность иметь менее сложную схему с меньшим потреблением энергии по сравнению с BJT.

Проверка IGBT транзисторов

А вот как проверить, исправен ли IGBT элемент? Сначала визуально проверьте, не сгорел ли или не лопнул корпус. Если нет, измерьте транзистор, используя положение для проверки диода у цифрового мультиметра. Если измеренное значение значительно отличается от нормального, возможно IGBT неисправен. Это грубый метод. Таблица далее суммирует быструю процедуру тестирования.

Если пока все идет хорошо, можете запустить относительно простой тест переключения, используя тестовую схему. Здесь можно использовать батарею 9 В или источник большего напряжения для обеспечения требуемого тестового. Но надо знать максимальное напряжение, которое может быть приложено между затвором и эмиттером IGBT, которое обычно составляет 20 В.

Обратите внимание: если это исправный транзистор, мультиметр покажет значительное падение напряжения (V CE) при нажатии кнопки TEST.

На макетной плате видно тестируемый IGBT транзистор H20R1203.

А используя генератор и осциллограф, можно узнать характеристики тестируемого IGBT.

Тут следует отметить, что с входной характеристикой, похожей на MOSFET, IGBT является компонентом, управляемым напряжением. То есть включение и выключение IGBT зависят от напряжения между затвором и эмиттером. Из-за емкости затвора рекомендуется использовать определенные схемы для зарядки и разрядки входного конденсатора, чтобы включать и выключать IGBT.

В принципе, напряжение затвора силового устройства не увеличивается, пока входная емкость затвора не заряжена, а устройство не включается, пока напряжение затвора не достигнет порогового напряжения затвора.

Пороговое напряжение затвора силового устройства определяется как минимальное смещение затвора, необходимое для создания пути проводимости между его областями истока и стока. Таким образом, для работы элемента в качестве переключателя, между затвором и эмиттером должно быть приложено напряжение, значительно превышающее пороговое напряжение затвора.

Драйвер затвора, говоря простыми словами, это усилитель мощности, который принимает входной сигнал малой мощности от схемы контроллера и работает как драйвер затвора для силового устройства. Драйвер затвора особенно важен, когда схема контроллера не может обеспечить достаточный выход, требуемый для управления емкостью затвора соответствующего устройства.

Аналогично, драйвер IGBT представляет собой схему, которая быстро заряжает и разряжает затвор IGBT в соответствии с управляющими сигналами и обеспечивает его нормальное включение и выключение.

Резисторы затвора могут определять время переключения и потери IGBT, электромагнитные помехи, dv/dt, di/dt и так далее. Их необходимо выбирать и оптимизировать очень тщательно, в соответствии с индивидуальными параметрами применения (сопротивление затвора, указанное в технических характеристиках является значением при условии, что оно снижает потери переключения, поэтому необходимо выбрать оптимальное значение в соответствии с конкретной схемой или рабочими условиями).

Характеристики этих транзисторов

Вот таблица с характеристиками IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором), их особенностями и применением:

Примеры моделей IGBT

Особенности работы IGBT

• Сильные стороны:
  • Высокая надежность при больших токах и напряжениях.
  • Отличные характеристики при низких потерях мощности в процессе переключения.
  • Использование в тяжелых промышленностях, таких как системы солнечной энергетики и драйвера электродвигателей.
• Ограничения:
  • Медленное переключение: IGBT не подходит для высокоскоростных приложений, где важна минимальная задержка.
  • Тепловые потери: Поскольку IGBT обладает высокими потерями на переключение, потребуется эффективное охлаждение.

IGBT активно используется в высокоэнергетических и мощных приложениях, таких как:

• Преобразователи переменного тока (AC/DC и DC/AC преобразователи)
• Системы инверторов для солнечной энергетики
• Электрические приводы и трансформаторы
• Питание и управление высокоскоростными поездами
• Электронные системы управления в силовых установках

IGBT — это компонент, который сочетает в себе высокую эффективность при больших токах и напряжениях, и его использование крайне важно для промышленных, энергетических и мощных электронных схем.