Дизайн на биполярни транзистори с изолиран порт, принцип на работа,
Москатов Е. А. Книгата „Електронна техника. Старт"
6. Биполярни транзистори с изолиран затвор
6.1. Обща информация за IGBT
Биполярен транзистор с изолиран порт (IGBT) - на английски "биполярен транзистор с изолиран порт" или съкратено IGBT - е компонент, който, подобно на транзистор с полеви ефекти, се управлява от напрежение, а потокът на тока през захранващите клеми на колектора и емитера се дължи, подобно на биполярен транзистор, на движението на носители на заряд от двата типа. В един технологичен цикъл структурите на мощен биполярен p-n-p транзистор са организирани в полупроводник, който се управлява от маломощен MOS транзистор с n-канал. IGBT клемите се наричат гейт, колектор и емитер.
Предимства: възможността за превключване на токове от хиляди ампера и възможността за прилагане на постоянно напрежение колектор-емитер от няколко киловолта към заключен транзистор. Ако напрежението колектор-емитер на деактивиран IGBT надвишава приблизително 600 V, тогава напрежението на насищане, паднало през клемите колектор-емитер на отворен IGBT, обикновено е по-малко от това на FETs в същата ценова група.
Недостатъци: дори най-малко инерционните IGBT са проектирани да работят на много по-ниска честота от транзисторите с полеви ефекти и колкото по-висока е честотата, толкова по-ниска е максималната допустима амплитуда на тока на колектора на транзистора. В същото време IGBT се разделят на групи според техните честотни свойства. При производството на IGBT, в допълнение към необходимия биполярен p-n-p транзистор, възниква и паразитен биполярен n-p-n транзистор и те заедно образуват тиристорна структура. Това е отразено в еквивалентната схема на IGBT, показана на фиг. 6.1, където компонент VT2 е паразитен транзистор.
На високоскорост на превключване на компонента или когато кратък токов импулс с голяма амплитуда протича през клемите колектор-емитер и други неща, тиристорната структура в IGBT може спонтанно да премине в отворено състояние. В този случай IGBT губи контролируемост и транзисторът, както и устройството, в което е работил, може да се повредят.
Чрез прилагане на изключващо напрежение към клемите гейт-емитер, IGBT се превключва от прекъсване към насищане, съпротивлението колектор-емитер пада и токът на натоварване протича през тези клеми. Ако няма напрежение гейт-емитер, тогава транзисторът има състояние на прекъсване, в което практически няма ток през клемите колектор-емитер. По този начин IGBT са напълно управлявани компоненти. Съвременните силови модули IGBT издържат на постоянен колекторен ток до 1,8 kA, напрежение колектор-емитер в затворено състояние до 4,5 kV. IGBT обикновено се използват като електронни ключове в импулсни преобразуватели, например инверторни заваръчни машини, в системи за управление на електрически двигатели и др.
6.2. Конструкцията и принципът на работа на IGBT
Най-простата структура на планарен IGBT е показана на фиг. 6.2.
От фигурата се вижда, че p + подложката е разположена върху металната основа, към която е свързан изходът на колектора и върху нея има два n-слоя. Тези слоеве намаляват усилването на p-n-p структурата на мощен биполярен транзистор. Най-близкият до субстрата n + слой е необходим, за да се намали вероятността от спонтанно отключване на тиристорната структура. n-слоят, който е по-отдалечен от субстрата, се реализира чрез епитаксиален растеж или по други методи. Субстратът p + играе ролята на емитер на биполярен p-n-p транзистор, областта на n-слоя е неговата основа, а областта от p-тип, към която е свързан изходътIGBT излъчвател, - неговият колектор. Над n-слоя има p-област, която функционира като контролен MOS транзисторен канал, чийто затвор е направен от поликристален силиций и е изолиран от полупроводника на емитерната област чрез слой SiO2 оксид. В тази p-област на канала са поставени n + -зони, които действат като дренаж на MOSFET, а източникът му е n - -областта. Портата на MOSFET структурата е свързана към клемата на портата на IGBT.
Ако се приложи напрежение с положителна полярност към IGBT гейта спрямо емитера, което отключва компонента, тогава това първо ще доведе до отваряне на структурата на MOS транзистора под въздействието на електрическо поле и инжектиране на електрони в неговия канал. В резултат на това носителите на заряд се инжектират в n - -слоя, който служи като основа на биполярната p-n-p транзисторна структура, която преминава в насищане. Така първо се отключва структурата на MOSFET и едва след това структурата на биполярния p-n-p транзистор. Съпротивлението колектор-емитер на отворен IGBT има много ниска стойност и токът на натоварване протича през колекторния извод на компонента.
Ако предишното приложено задействащо напрежение към клемите гейт-емитер на IGBT се премахне, тогава каналът в MOS транзисторната структура изчезва и концентрацията на носители на заряд намалява в n-слоя поради рекомбинация. Рекомбинацията не е мигновен процес; докато върви, транзисторът не е затворен. Само след завършване на рекомбинацията IGBT влиза в състояние на прекъсване.
6.3. Основни параметри на IGBT
Най-важните параметри на IGBT включват следното:
Продължителност на включване и изключване на транзистора, µs.
Капацитети затвор-емитер, колектор-емитер и затвор-колектор при дадено напрежение колектор-емитер, nF.
Заряд на затвора на транзистора, nC.
Максимално допустимата температура на нагряване на транзисторния кристал, °C.
Максимална разсейвана мощност, W.
Напрежение на насищане, т.е. напрежение между клемите на колектор-емитер на отворен транзистор, V.
Максимално допустим импулсен ток на колектора при температура 25 °C, A.
Максимално допустим DC колекторен ток при 25 °C, A.
Ограничаващата скорост на нарастване на напрежението, която не води до спонтанно отваряне на транзистора, dU / dt.
Термично съпротивление на съединителния корпус, °C / W.
Енергии на включване, изключване и превключване, mJ.