Тема 6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt-транзисторы)

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные транзисторы и идущие им на смену МДП-транзисторы. Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor). Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так, IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.

IGBT-транзистор сочетает в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный транзистор p-n-p- типа управляется от сравнительно низковольтного МДП-транзистора с индуцированным каналом. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис. 27. Эквивалентная схема IGBT-транзистора представлена на рис. 28.

Рис. 27. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов	Рис. 28. Эквивалентная схема IGBT-транзистора

Таким образом, IGBT-транзистор имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор и затвор. Соединения эмиттера и истока, базы и стока 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 включенном состоянии. По быстродействию силовые IGBT-транзисторы пока уступают МДП-транзисторам, но превосходят биполярные. Структуры IGBT-транзисторов показаны на рис. 29.

а)	б)
Рис. 29. Структуры IGBT-транзисторов: а – обычного (планарного); б – выполненного по технологии с вертикальным затвором (trench-gate technology)

Процесс включения IGBT-транзистора можно представить в виде двух этапов: после подачи положительного напряжения на затвор формируется канал n-типа между истоком и стоком (на рис. 29 показан пунктиром) и происходит открытие МДП-транзистора, а движение дырок приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Усилительные свойства IGBT-транзистора характеризуются крутизной , которая определяется усилительными свойствами МДП- и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП-транзисторами. Типовые выходные характеристики IGBT-транзистора приведены на рис. 30.

Внастоящее время IGBT-транзисторы выпускаются в виде модулей:

1) в прямоугольном корпусе с односторонним прижимом и охлаждением ("Mitsubishi", "Siemens", "Semikron");

2) в таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba").

Современные IGBT-модули находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности, преобразователей индукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания, бытовой и студийной техники. Особую роль IGBT-модули играют в развитии железнодорожного транспорта. Применение этих перспективных приборов в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечить предельно низкие потери в обмотках трансформатора и дросселей. Схема включения IGBT-модуля фирмы Hitachi приведена на рис. 31.

Рис. 31. Схема включения IGBT-модуля фирмы Hitachi

Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер применяют защитные (снабберные) RC- и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах. Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как МОП-транзисторы, поскольку входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему. Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10÷20 кОм.