2.5.5. Біполярнітранзисторизізольованимзатвором (бтіз)

Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ, англійською: IGBT- insulatedgate bipolar transistor] з'явилися у 80-х роках мину­лого століття і тепер інтенсивно використовуються в якості силових приладів, витісняючи у багатьох застосуваннях тиристори.

Структура, умовне позначення та еквівалентна схема БТІЗ наве­дені на рис. 2.31.

Як видно, він являє собою складну багатошарову структуру, ство­рення якої стало можливим з розвитком інтегральної технології: це вже, фактично, інтегральна мікросхема.

о

емітер б) в)

Рис. 2.31 - Структура (а), умовне позначення (б) та еквівалентна схема (в) БТІЗ

БТІЗ поєднує властивості МОН-транзистора щодо керування з вла­стивостями біполярного транзистора в силовому колі.

Такі транзистори виконуються для напруги до 1200 В при частоті до 100 кГц та сил струму до 2000 А, що забезпечується паралельним з'єднанням великого числа елементарних транзисторів на одному кри­сталі (як у випадку СІТ-транзистора). Вони продукуються у вигляді модулів, у яких міститься від одного до трьох транзисторів, що дозво­ляє зменшити габарити електронних пристроїв.

У поєднанні з широкою номенклатурою керуючих пристроїв у мікро-^виконанні БТІЗ в наш час якнайширше застосовують у пристроях енер-^Гетичної електроніки.

2.6. Перемикаючі напівпровідникові прилади (тиристори)

Тиристор (від грецького thyra ~ двері + резистор) - це напівпровід­никовий прилад, що має багатошарову структуру і BAX якого має ділян­ку з від’ємним опором. Його використовують як перемикач струму.

Тиристори бувають двоелектродні (або діодні) - диністори та три­електродні (або тріодні)-триністори.

2.6.1.Диністори

VT1

Анод\

Д иністор має чотиришарову структуру, як зображено на рис. 2.32. У нього є три p-n переходи, причому, за зазначеної полярності джерела напруги U_A, два крайніх з них (Я_; і П_}) зміщені у прямому напрямку, а середній (П₂) - у зворотному (рис. 2.32,a).

П:

Бг

П,

/=/в.

Ката*

/ =/£»

р	ІБ1=ІК2	VT2
п		П
	ІК1=ІБ2
р		Р
Анод ".		П

Катод

а) б)

Рис. 2.32 - Структура диністора (а) та його модель у вигляді

двохтранзисторів (б)

Таку структуру можна представити у вигляді еквівалентної схеми (мо­делі), ЩО складається з двох транзисторів VT1 та VT1 p-n-p та n-p-n типу відповідно фис. 2.32,6). Цю модель можна отримати, якщо подумки розі­тнути прилад уздовж площини A-A, а потім обидві частки електрично з'єдна­ти. При цьому виходить, що переходи П_: і П₃ є емітерними переходами цих транзисторів, а перехід П₂ для обох транзисторів є колекторним.

Область бази Б, транзистора VT1 одночасно є колекторною облас­тю транзистора F72, а область бази Б, транзистора VT1 - колектор­ною областю транзистора VT1.

Відповідно, колекторний струм першого транзистора є базовим для другого І_К=І_К„ а колекторний струм другого транзистора - базовим першого І_К=І_БІ. Таке вмикання забезпечує внутрішній додатний зво­ротний зв'язок: якщо увімкнеться хоча б один транзистор, то надалі вони будуть підтримувати один одного в увімкненому стані.

Струм диністора - це емітерний струм першого транзистора /_£/ або другого І_ЕГ У той же час він складається з двох колекторних струмів /_и=а,/_£1 та 7^=a,/p, де a, i a₂ - коефіцієнти передачі емітерного стру-мутранзисторів vfl, VT2. Крім того, до складу струму диністора / вхо­дить початковий некерований (тепловий) струм колекторного переходу /_да.

Таким чином, можна записати

I = a₂I_E[+a₂I_E]+I_K0.

= І(а,І+а₂)+Іко,

(2.25)

1,0 -

(2.26)

( 2.24)

а значить	I = OLj-
звідай
Т -	I KQ

1-(а,+а₂)

Проаналізуємо вираз (2.26), вико-ристовуючи графіки залежності 0^ та ^а₂ ^ВІД струму диністора, наведені на Рис. 2.33.

10^⁴ 10'²

Для малих значень струмів Рис.2.33-Залежністьа,таа₂ *i + cXj) < 1 і струм / теж порівняно від струму диністора

невеликий. Із зростанням напруги на диністорі коефіцієнти а, та а₂зрос-тають (за рахунок звуження баз транзисторів через розширення зворот­но зміщеного переходу П₂), а отже, зростає і струм через диністор /.

При деякому значенні струму, що зветься струмом вмикання диніс-тора /_gu, отримаємо (а,+ а₂) = 1 і вихідний струм мав би зрости до нескінченності, якби не обмежуюча дія опору навантаження R_H. На­далі прилад утримується в увімкненому стані за рахунок внутрішнього додатного зворотного зв'язку.

BAX диністора наведена на рис. 2.34, на якому позначено:

/»

vs

I,

sp

-Катод

Анод-

U^ - напруга вмикан­ня диністора;

Зона від'ємного опору ~~X7r-/

/_кІІ - струм вмикання; /— струм утримання; / - гранично допусти­мий струм приладу;

'ym

U - напруга, що відпо­відає І_г.

Ділянка Oa BAX відпо­відає закритому стану ди­ністора, ділянка аб - ла­виноподібному переми­канню приладу (ділянка з _:

Рис. 2.34 - ВАХдиністора та його негативним опором, бо тут • умовне позначення К=-Аи/ДІ-ьепичша від'ємна),;

а ділянка бв, подібна відрізку BAX діода - увімкненому стану диністо-1 pa фежим насичення), вона є робочою ділянкою характеристики.

Для вимикання приладу (переведення його у непровідний стан) струм | у його колі повинен стати меншим за струм утримання. Основні параметри диністора:

• напруга вмикання диністора U, що становить (20+1000) В;

• максимальне середнє значення прямого струму за заданих умов охолодження / , що становить (0,1+2) А;

• струм утримання / - мінімальний прямий струм увімкненого ди-І ністора, при подальшому зниженні якого диністор переходить у непро-| відний стан, що становить (0,01+0,l)A;

- максимальне допустиме амплітудне значення зворотної напруги U сягаєдо 1000 В;

^3imax " '

- час вмикання, тобто час переходу від закритого стану до відкри­ того, знаходиться у межах (1+ЮХмкс.