IGBT транзисторы разработали для того, чтобы совместить высокую экономичность с быстродействием. Структура его состоит из 4-х чередующихся слоев (P–N-P–N), которые управляются полем затвора металл-оксид–полупроводник (MOS).
Структура и свойства IGBT-транзисторов
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) переводится как биполярный транзистор с изолированным затвором. Сразу напрашивается вопрос: откуда у биполярного транзистора затвор, да ещё и изолированный? Для пояснения: IGBT – это полупроводниковый прибор, силовая цепь которого выполнена структурой мощного, а во многих случаях и высоковольтного транзистора. Входная же цепь образована высокоомным полевым транзистором с изолированным затвором.
Если внимательно рассмотреть прибор, то структура у него получается P–N-P–N. Так и есть, это составной транзистор — полевой и биполярный. Используется такой транзистор, в основном, в качестве мощного ключа. Впрочем, как и ранее нами рассматриваемый Mosfet-транзистор. У них похожие свойства, но далеко не одинаковые. Иногда они могут взаимно заменять друг друга. Чаще всего, как IGBT вместо Mosfet и реже — наоборот.
Особенности IGBT-транзисторов и их применение
Как мы уже отмечали в статье про мосфеты, они имеют существенный недостаток — паразитный «диод». Из-за этого, резкая смена полярности может сделать Mosfet-транзистор неуправляемым. А вот у IGBT-транзисторов дела в этом плане обстоят намного лучше, он стабильнее управляется, особенно, если это касается выключения. Впрочем, и у IGBT есть свой паразитный транзистор, который вносит нежелательные ёмкости.
Всё дело в том, что силовая цепь биполярного транзистора в нормальном состоянии, без положительного напряжения на базе, закрыта. Поэтому её принудительно не надо закрывать полем, как это происходит у полевых транзисторов, например, Mosfet-структуры. Полевые же транзисторы входной части IGBT прибора позволяют быстро открыть силовую цепь положительным потенциалом и закрыть отсутствующим.
Именно поэтому, электронный вентиль, который легко открывается и быстро, а главное надёжно, закрывается, используется:
- в сварочных аппаратах, инверторах;
- для преобразования напряжения;
- в качестве силовых скоростных и высоковольтных ключей;
- как регулятор тока мощных приводов и пр.
Положительные свойства IGBT-транзисторов в наибольшей степени проявляются в диапазоне частот 10-20 кГц. Аналоги полевики, например Mosfet-транзисторы, на таких скоростях, если и работают, то с меньшей экономичностью. А значит, в таких режимах они менее эффективны.
Модули IGBT
Кроме транзисторов, со структурой IGBT выпускаются модули. В своем составе они содержат, чаще всего полумост, состоящий из 2-х или 4-х таких транзисторов, включённых параллельно/последовательно в силовой цепи.
Хотя, правильно будет сказать не 2 полупроводниковых прибора содержатся в таком модуле, а несколько десятков. Потому что сами транзисторы IGBT состоят из нескольких, параллельно соединённых внутрикристально.
Но, даже групповая структура IGBT не мешает модулям на их основе эффективно работать в диапазоне частот 20-50 кГц при напряжении 300-400В. При этом, токи могут составлять сотни, а то и тысячи ампер.
Особенности пользования, проверки и испытаний IGBT-транзисторов
Тем, которые предполагают иметь дело с IGBT-модулями следует знать, что эти приборы очень хрупкие. Металлические подложки очень тонкие и мягкие, а внутримодульные соединения у них паянные. Поэтому, даже, казалось бы небольшое, усилие на подложку или корпус может привести к растрескиванию кристалла. Их запрещается:
- ронять;
- наносить удары по устройству или его основанию, на котором он жёстко зафиксирован;
- надавливать и пр.
При креплении на теплоотвод, соединение необходимо смазать тонким слоем радиаторной пасты. При этом слой должен быть обязательно равномерным. Чтобы не образовывалось локальных участков с воздушными пятнами. Поэтому крепление к радиатору должно осуществляться равномерным прижатием. Для того, чтобы воздушных зон не образовывалось, производители делают подложку слегка выпуклой формы. При монтаже её к плоской поверхности, с нанесённым слоем пасты на её подложку, воздух выдавливается от середины к краям. Потому что именно середина нуждается в самом лучшем теплотводе.
При измерения обратного напряжения «коллектор-эмиттер» затвор должен быть закорочен с эмиттером. Если этого не сделать, то паразитная емкость Миллера может включить транзистор в активный режим, что может привести к локальному тепловому повреждению.
Также напряжение пробоя затвора, относительно эмиттера, может составлять всего 70–80 В. Причём этот пробой не электрический, а выражается локальным разрушением очень тонкого диэлектрика. Поэтому после таких микроповреждений транзистор уже не восстанавливается, но сразу выходит из строя при первом включении в работу.
Заключение
Итак, в заключение можно отметить, что IGBT-транзисторы обладают:
- высоким входным сопротивлением, легко управляются;
- малым остаточным напряжением в открытом состоянии;
- небольшими потерями мощности.
При всём этом они имеют свои особенности проверки и эксплуатации.
