Основные параметры некоторых mosfet-транзисторов

Транзистор	Параметры
	, В	, А	, Вт	, Ом
BUZ10	50	23	75	0,07
BUZ11	50	28	75	0,04
BUZ80	800	2,6	75	4
BUZ90	600	4,3	75	1,6
IRF150	100	30	150	0,055
IRF250	200	30	150	0,085
IRF350	400	13	150	0,3

В качестве драйверов, связывающих контроллеры с мощными MOSFET- ключами, применяется широкий спектр формирователей управляющих сигналов, из которых наибольшее распространение получили драйверы с запуском от оптопар, изготовленные в виде отдельных микросхем. Помимо отдельных MOSFET-ключей, выпускаются также силовые модули различной конфигурации на MOSFET-транзисторах (табл. 3.4) на рабочие напряжения до 1000 В и токи до 200 А.

Таблица 3.4

Силовые модули на mosfet-транзисторах

Тип	Схема	UDS, В	ID, А	RDS(on), мОм	PD, Вт
SKM111AR SKM121AR SKM141 SKM151AR SKM151F SKM181 SKM181F SKM191 SKM191F		100 200 400 500 500 800 800 1000 1000	200 130 60 48 56 36 34 28 28	8,5 20 75 120 110 240 320 370 420	700 700 625 625 700 700 700 700 700
SKM214A SKM224A SKM244F SKM254F SKM284F SKM294F		100 200 400 500 800 1000	120 80 45 35 20 18	13 30 100 170 480 630	400 400 400 400 400 400
SKM651F SKM652F SKM681F SKM682F SKM691F SKM692F		500 500 800 800 1000 1000	10 19 6 11 5 9,5	660 330 1920 960 2520 1260	125 227 125 227 125 227

Несмотря на большие успехи в развитии мощных MOSFET-транзисторов, высоковольтные силовые ключи на их основе по предельным энергетическим показателям уступают биполярным транзисторам. Это определяется относительно высоким сопротивлением открытого канала (табл. 3.4) при рабочих напряжениях более 200 В. СиловыеMOSFET-ключи на пониженные напряжения конкурентов не имеют.

Силовые ключи на IGBT-транзисторах (рис. 2.1, ж) являются продуктом развития технологии силовых MOSFET-транзисторов и сочетают в себе достоинства двух транзисторов в одной полупроводниковой структуре: биполярного (высокое рабочее напряжение, большая токовая нагрузка и малое сопротивление во включенном состоянии) и полевого (высокое входное сопротивление и высокое быстродействие). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 3.2 (на схеме соединения эмиттера и стока, базы и истока являются внутренними).

Рис. 3.2. Эквивалентная схема IGBT-транзистора

Коммерческое использование IGBT-началось с середины 80-х годов и уже претерпело шесть стадий (поколений) своего развития . Прогресс в технологии IGBT шел в направлении увеличения рабочих напряжений до 4500 В и токов до 1800 А, а также снижения потерь напряжения до 1,0…1,5 В и повышения эффективности IGBT-ключей за счет снижения потерь мощности в кристалле (рис. 3.3 [12]).

Рис. 3.3. Эволюция потерь мощности для различных поколений IGBT в инверторе

Схематичный разрез структуры IGBT показан на рис. 3.4, а; на рис. 3.4, б изображена структура IGBT, выполненного по технологии с вертикальным затвором (trench-gatetechnology), позволяющей уменьшить размеры прибора в несколько раз. Структура IGBT содержит дополнительный p⁺ слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать большие токи. Дополнительный p–n-переход инжектирует дырки в n^– область, что ведет к падению сопротивления этой области и уменьшению падения напряжения на приборе в сравнении с мощным MOSFET-транзистором.

а б

Рис. 3.4. Схематичный разрез элементарных ячеек IGBT: а – обычного (планарного); б – выполненного по «trench-gatetechnology»

Традиционно IGBT используются в тех случаях, когда необходимо работать с высокими токами и напряжениями, и выпускаются как в отдельном исполнении, так и в виде модулей (рис. 3.5) в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением и в таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением. Для управления силовыми IGBT-ключами можно использовать те же драйверы, что и для мощных MOSFET-транзисторов.

Рис. 3.5. IGBT-модуль фирмы Mistubishi

Напряжение на открытом приборе складывается из напряжения на прямо-смещенном эмиттерном переходе p–n–p-транзистора (диодная составляющая) и падения напряжения на сопротивлении модулируемой n^–-области (омическая составляющая):

, (3.6)

где – сопротивление MOSFET-транзистора в структуре IGBT (сопротивление эпитаксиального n^–-слоя); – коэффициент передачи базового тока биполярного p-n-p-транзистора.

В настоящее время для уменьшения падения напряжения на IGBT-транзисторах в открытом состоянии, расширения диапазонов допустимых токов, напряжений и области безопасной работы они изготавливаются по технологии с вертикальным затвором trench-gatetechnology (рис. 3.4, б). При этом размер элементарной ячейки уменьшается в 2…5 раз. По быстродействию силовые IGBT-приборы пока уступают MOSFET-транзисторам, но превосходят биполярные.

Цифро-буквенное обозначение IGBT-транзисторов, выпускаемых компанией International Rectifier, приведено на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Обозначение IGBT-транзисторов компании IR

Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2…0,4 и 0,2…1,5 мкс соответственно. По частотным свойствам различают приборы IGBT co средней скоростью переключения (StandartSpeed) порядка единиц килогерц, скоростные (FastSpeed) – до 10 кГц, сверхскоростные (UltraFast) – до 60 кГц и IGBT серии Warp – до 150 кГц, сравнимые с MOSFET-транзисторами по скорости переключения.