4.3.2. Строение igbt

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) являются самыми перспективными силовыми приборами и предназначены для работы в так называемых токовых ключах, пропускающих значительных токов (несколько тысяч ампер).

Учитывая специфическую структуру БТИЗ, контакты прибора и прилегающие к ним области называются: эмиттер Э, затвор З, коллектор К.

На рис. 4.10 приведена структура IGBT c планарным затвором, характерным для ПТИЗ, а также показаны пути движения носителей заряда как через элементы ПТИЗ, так и через специально встроенный биполярный транзистор.

Рис. 4.10. Структура элементарной ячейки IGBT с планарным затвором

Транзисторы БТИЗ (IGBT) имеют структуру (ячейку), аналогичную мощному ПТИЗ с коротким горизонтальным индуцируемым n-каналом и вертикальным n-каналом (рис. 4.8, б), но дополненную еще одной областью p⁺ (в области коллектора), а, значит, еще одним p-n-переходом (рис. 4.10). Благодаря дополнительному p⁺-слою в структуре образуется новый p⁺-n^-p⁺транзистор VТ₂ (рис. 4.10) с очень большой площадью p-n-переходов, который способен пропускать (переключать, коммутировать) значительные токи. Схема замещения БТИЗ и вольтамперная характеристика структуры представлены на рис. 4.9, в, г.

Подадим на планарный затвор З (рис. 4.10), заключенный в слое диэлектрика SiO₂, положительное напряжение U_зи, большее, чем U_зи.пор.

Тогда, во-первых, в структуре в p^- слое индуцируется короткий горизонтальный канал n-типа, и поток электронов (отмечен кружком 1) двигается от эмиттера к положительному коллектору через встроенный вертикальный канал n^-типа.

Во-вторых, в данном случае более отрицательный потенциал точки 1 (рис. 4.10), фактически приложен к n-базе биполярного транзистора, так что последний – открыт. Поэтому, с одной стороны, поток дырок (отмечен кружком 2) двигается в структуре биполярного p⁺-n^-p⁺-транзистора от положительного коллектора к отрицательному эмиттеру; с другой стороны, параллельно потоку 2 двигается поток дырок 3 в структуре биполярного p⁺n^p^p⁺-транзистора.

Другими словами, при подаче положительного потенциала на затвор, в объеме структуры индуцируется проводящий n-канал длиной d в р^-области. За счет индуцированного n-канала открывается ПТИЗ с вертикальным n-каналом. Вследствие протекания тока по вертикальному каналу n-типа каждая точка его объема, например, область А, приобретает более отрицательный потенциал, чем потенциал области коллектора. Это идентично подаче отрицательного потенциала на n-базу БТ, и поэтому обеспечивается открытие биполярного p-n-p-транзистора.

Между внешними контактами (коллектором и эмиттером) ячейки IGBT начинает протекать ток. При этом ток стока (коллектора) ячейки IGBT оказывается усиленным (по сравнению с идентичным отдельным транзистором ПТИЗ) в несколько раз за счет того, что при включенном биполярном транзисторе через n^-область Б идут дополнительные встречные потоки носителей заряда (электронов и дырок).

Управление БТИЗ с целью его включения (открытия) или выключения (закрытия) осуществляется изменением напряжения U_зэ на затворе незначительной величиной 5…6 В.

Сравнивая выходные характеристики силовых ПТИЗ и БТИЗ можно видеть (рис. 4.9, б, г) их существенное отличие.

Обратное включение ПТИЗ и БТИЗ. При обратном включении ПТИЗ с n-каналом (рис. 4.8, а) на сток подается отрицательный потенциал. В этом режиме p-n-переход сток-подложка является прямо смещенным, и ток транзистора экспоненциально возрастает при увеличении напряжения (рис. 4.9, б, третий квадрант) как и у диодной структуры даже при незначительном значении прямого напряжения.

При обратном включении силового IGBTтранзистора при индуцированном n-каналом (рис. 4.10) на коллектор также подается отрицательный потенциал. Но в этом случае p⁺-n^-переход вблизи контакта коллектора закрыт; по мере увеличения напряжения U_кэ (рис. 4.9, б, третий квадрант) через обратно смещенный переход протекает незначительный ток, связанный с тепловыми токами.

Именно поэтому структура IGBTтранзистора может выдерживать значительное обратное напряжение до 4500 В.

Прямое включение ПТИЗ и БТИЗ. При так называемом прямом включении силовых ПТИЗ с n-каналом (рис. 4.8, а) на сток подается положительный потенциал. На вольтамперной характеристике имеется выраженные омическая и активная зоны (рис. 4.9, б, первый квадрант).

В области активной зоны силовых ПТИЗ ток стока продолжает возрастать пропорционально напряжению U_си (сток- исток), т.е. транзистор не насыщается, а проявляет себя как активный резистор с определенным большим сопротивлением частично перекрытого канала. Другими словами, в области относительно больших напряжениях U_си ток стока I_c не является постоянным, а продолжает расти по мере увеличения U_си.

В то же время следует отметить, что силовые транзисторы обычно предназначены для работы в ключевом режиме. Этот режим характеризуется тем, что при одних потенциалах транзистор включен (ток стока большой), а при других – выключен (ток стока отсутствует). Подобный режим достигается путем выбора рабочей точки на стоковой характеристике. Как будет показано ниже, активная область ВАХ с током, возрастающим при увеличении напряжения U_си, не должна использоваться, Именно поэтому транзисторы типа ПТИЗ, в отличие от IGBT, не используется в ключевом режиме работы.

При прямом включении у IGBT-транзисторов с индуцированным каналом n-типа на коллектор также подается положительный потенциал. На его стоковой ВАХ имеется выраженная область, при которой наступает насыщение, а после которой в активной зоне ВАХ при возрастании напряжения U_кэ ток I_к изменяется незначительно (рис. 4.9, г). Напряжения U_{кэ нас}, при которых наступает область насыщения (отмечены пунктиром), зависят от напряжения U_зэ. В целом, зона (область) насыщения характеризуется малым значением прямого падения напряжения U_кэ менее 1,5-2 В и токами I_кэ вплоть до 50-200 А. Именно подобные стоковые характеристики прибора позволяют использовать IGBT-транзисторы в качестве токового ключа при сверхбольших токах.

Перспективные и еще более мощные ПТИЗ и БТИЗ, предназначенные для коммутации сверхбольших токов, выполняют путем изготовления многослойных вертикальных структур (рис. 4.11, а, в) с вертикальным затвором в форме так называемого паза по специальной технологии (trench-gate technology).

а) б) в)

Рис. 4.11. Структура ячеек силовых МОП- и IGBTтранзисторов

а) МОП-транзистор с пазовой структурой затвора; б) IGBT-транзистор с планарным затвором и вертикальным каналом; в) IGBT-транзистор с пазовой структурой затвора и вертикальным каналом

В отличие от структур приведенных ранее, на основе trench-технологии затвор выполняется не в толстом слое диэлектрика, а углублен в объем материала в форме паза (рис. 4.11, а, в).

В результате анализа структур и свойств транзисторов, можно сделать вывод, что IGBT, как прибор, представляет собой биполярный p-n-p-транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного транзистора типа ПТИЗ с индуцированным каналом.

Перечисленные выше достоинства IGBT-транзисторов приводят к важным эксплуатационным результатам при их использовании качестве силовых импульсных приборов  аналоговых ключей, способных пропускать (коммутировать, переключать) большие токи:

 значительно уменьшается сопротивление открытого прибора (менее 0,01 Ом);

 существенно уменьшается остаточное напряжение U_кэ на включенном (открытом) приборе даже при очень больших токах (обычно не более превышает 2-3 В).

IGBTтранзисторы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных транзисторов (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и ПТИЗтранзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации сигналов). Максимальное напряжение IGBTтранзисторов, включенных в обратном направлении, в целом, ограничено из-за пробоя p-n-переходов, но уже в настоящее время выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4500 В.

Вышеперечисленные обстоятельства делают IGBT-транзисторы наиболее более предпочтительными для их использования как силовых приборов в ключевом режиме работы.

Быстродействие БТИЗ ниже, чем быстродействие полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных: время их включения и выключения не превышает 0,5…1,0 мкс.

Условно-графические изображения транзисторов IGBT различных типов, используемые на схемах, приведены на рис. 4.12 и обложке пособия.

Рис. 4.12. УГО различных модулей IGBT

Подобные транзисторы выполняются в виде отдельных элементов –модулей. IGBTмодуль по внутренней электрической схеме может представлять собой (рис. 4.13): единичный IGBT (а), двойной модуль (half-bridge), где два IGBT (б) соединены последовательно (полумост), прерыватель (chopper), в котором единичный IGBT последовательно соединен с диодом (в, г), однофазный или трехфазный мост и т.п. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит встроенный обратный диод, включенный параллельно каждому IGBT.

а) б) в) г)

Рис. 4.13. Схемы IGBT модулей

IGBT транзисторы считаются самыми перспективными силовыми приборами и занимают доминирующее положение среди приборов для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Их развитие идет по пути:

- повышения диапазона коммутируемых токов и напряжений (единицы килоампер, 5…7 киловольт);

 повышения быстродействия (время переключения менее 100 нс);

 повышения стойкости к перегрузкам и аварийным режимам;

 снижения прямого падения напряжения;

 разработки новых структур со значениями плотности токов, протекающих в тиристорных структурах (см. ниже);

 развития интеллектуальных IGBT транзисторов (с встроенными функциями управления, диагностики и защиты от токов короткого замыкания) и модулей на их основе;

 создания высоконадежных корпусов.

В настоящее время величина напряжения, которое может быть приложено к БТИЗ (коммутируемое напряжение) достигает 4500 В, токи включенного транзистора (в модульном исполнении)  до 1800 А, прямое падение напряжения  в пределах 1-1,5 В, частота коммутации (включения- выключения)  до 50 кГц; время переключения до 200 нс.

Помимо применения в перспективной области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBTтранзисторы используются в электротехнике для управления и относительно маломощными электроприводами с широким диапазоном регулирования скоростей вращения, например, электрических машинах бытового назначения, инверторных кондиционерах. Их применяют в качестве электронного ключа для электронного зажигания автомобилей, в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем и т.п.

Транзисторы IGBT выпускаются в виде отдельных модулей в прямоугольных корпусах (см. обложку книги) с односторонним или двусторонним прижимом и охлаждением различных типоразмеров, среди которых можно выделить модули: SEMITRANS, SEMiX, SKiM, MiniSKiiP, SKiiP, SEMITOP и другие. Обозначения IGBT-модулей разнообразны: МПКТИ-1400-18, МПКТИ-1200-25, 2М35, ОМ150F120CMC, OM300L60CMIS, T1400TA18, ST1200FX21, GA200SA60S и т.п.