www.siplace.ru

Оборудование для SMD линии

dialsmt.ru

SMT оборудование.
Сделано в России

www.compensation.ru

Оборудование для компенсации реактивной мощности и щитовое оборудование

www.contaclip.ru

Электротехническая продукция. Измерительные приборы

www.dialelectrolux.ru

Электронные компоненты

бесплатный номер для регионов

+7 (495) 995-20-20

сделать заказ, задать вопрос

sales@dialcomponent.ru

отправить письмо

Новости

Поздравляем с открытием ЧМ 2018!

Подробнее

Поздравляем с Днем великой Победы!

Подробнее

Календарь событий

Март 2014

Статьи

IGBT это просто. Обзор исполнения и применения.

В данной серии статей рассмотри различные аспекты связанные с IGBT транзисторами. Всего планируется размещение 3 статей по разной тематике. Из статей вы получите наиболее важную и необходимую информацию по IGBT транзисторам. Первая статья поведает об основах транзисторов этого типа их структуре и развитии технологии.

Из этой статьи читатель узнает о силовых полупроводниковых приборах, недавно появившихся в арсенале разработчика силовой импульсной техники, о биполярных транзисторах с изолированным затвором (lGBT). Появление транзисторов IGBT решило десятилетиями существовавшую проблему обеспечения высоковольтных схем простыми и надежными ключевыми элементами, обладающими высоким быстродействием, малыми затратами на управление, устойчивостью к многократным перегрузкам и полной управляемостью, открыло большие перспективы для профессиональных разработчиков и радиолюбителей.

MOSFET транзисторы считают почти идеальными приборами для использования в силовой электронике. Однако необходимо сделать одну небольшую оговорку справедливость этих слов в отношении полевых транзисторов очевидна, если paбочее напряжение силовых цепей не превышает величину 300...400 В.

При повышении рабочего напряжения приходится выбирать транзисторы с более высокой величиной допустимого напряжения "сток исток". Максимальная величина допустимого напряжения "сток исток" большинства серийных полевых транзисторов сегодня составляет порядка 800 вольт, но сопротивление в открытом состоянии таких приборов измеряется уже единицами Ом. Как же поступить разработчику в данном случае? Опять возвращаться к "биполярникам"? В начале 80 были проведены успешные опыты по созданию комбинированного транзистора. Со временем их в вели в серийное производство дав название биполярного транзистора с изолированным затвором, сейчас они имеют название IGBT (insulated gate bipolar transistor).

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT.

Условное обозначение IGBT

Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

Рис. 1. Условное обозначение IGBT

Рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT


Коммерческое использование уже претерпела четыре стадии своего развития:

I поколение IGBT (1985 г.): предельные коммутируемые напряжения 1000 В и токи 200 А в модульном и 25 А в дискретном исполнении, прямые падения напряжения в открытом состоянии 3,0-3,5 В, частоты коммутации до 5 кГц (время включения/выключения около 1 мкс).

II поколение (1991 г.): коммутируемые напряжения до 1600 В, токи до 500 А в модульном и 50 А в дискретном исполнении; прямое падение напряжения 2,5-3,0 В, частота коммутации до 20 кГц ( время включения/ выключения около 0,5 мкс).

III поколение (1994 г.): коммутируемое напряжение до 3500 В, токи 1200 А в модульном исполнении. Для приборов с напряжением до 1800 В и токов до 600 А прямое падение напряжения составляет 1,5-2,2 В, частоты коммутации до 50 кГц (времена около 200 нс).

IV поколение (1998 г.): коммутируемое напряжение до 4500 В, токи до 1800 А в модульном исполнении; прямое падение напряжения 1,0-1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (времена около 200 нс).

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор).

Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Рис. 3. Диаграмма напряжения и тока управления

Схематичный разрез структуры IGBT показан на рис. 4,а. Биполярный транзистор образован слоями p+ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой - слоями n (исток), n+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. На рис. 4,б изображена структура IGBT IV поколения, выполненого по технологии "утопленного" канала (trench-gate technology), позволяющей исключить сопротивление между p-базами и уменьшить размеры прибора в несколько раз.

Рис. 4. Схематичный разрез структуры IGBT: а-обычного (планарного);
б-выполненого по "trench-gate technology"

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.

Для IGBT с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В в полностью включённом состоянии прямое падение напряжения, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5-3,5 В. Это значительно меньше, чем характерное падение напряжения на силовых MOSFET в проводящем состоянии с такими же номинальными напряжениями.

По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значительно превосходят биполярные. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2-0,4 и 0,2-1,5 мкс, соответственно.

Область безопасной работы IGBT позволяет успешно обеспечить его надёжную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотен ампер. Такими качествами не обладают биполярные транзисторы, соединённые по схеме Дарлингтона.

В следующей статье будут описаны модульное исполнение IGBT и целесообразность применения модулей и дискретных транзисторов.

Статья составлена по материалам книги Семенова Б.Ю. "Силовая электроника. От простого к сложному." и статье К.Д. Рогачева.