IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), биполярный транзистор с изолированным затвором, представляет собой составное полностью управляемое силовое полупроводниковое устройство, состоящее из BJT (биполярный транзистор) и MOS (полевой транзистор с изолированным затвором), а также имеет MOSFET. Преимущества обоих высокий входной импеданс и низкое падение напряжения проводимости GTR.
Напряжение насыщения GTR снижается, плотность переноса тока велика, но ток возбуждения велик; мощность возбуждения МОП-транзистора мала, скорость переключения высокая, но падение напряжения проводимости велико, а плотность переноса тока мала. IGBT сочетает в себе преимущества двух вышеупомянутых устройств: низкую мощность возбуждения и пониженное напряжение насыщения. Он очень подходит для использования в преобразовательных системах с напряжением постоянного тока 600 В и выше, таких как двигатели переменного тока, преобразователи частоты, импульсные источники питания, цепи освещения, тяговые приводы и другие области.
Модуль IGBT представляет собой модульный полупроводниковый продукт, который упакован IGBT (чип биполярного транзистора с изолированным затвором) и FWD (чип обратного диода) через специальный мост; упакованный модуль IGBT напрямую используется в инверторах и ИБП без перерывов. другое оборудование;Модули IGBT обладают характеристиками энергосбережения, простоты установки и обслуживания, а также стабильного отвода тепла.В настоящее время большинство модульных продуктов, продаваемых на рынке, являются такими модульными продуктами.Вообще говоря, IGBT также относится к модулям IGBT;с развитие таких концепций, как энергосбережение и защита окружающей среды, такие продукты будут становиться все более распространенными на рынке; IGBT является основным устройством для преобразования и передачи энергии, широко известным как «ЦП» силовых электронных устройств. Развивающаяся стратегическая отрасль, она широко используется в железнодорожном транспорте, интеллектуальных сетях, аэрокосмической отрасли. Она широко используется в таких областях, как электромобили и новое энергетическое оборудование.
IGBT — это естественная эволюция вертикальных мощных МОП-транзисторов для сильноточных, высоковольтных приложений и быстродействующего оборудования. Поскольку для достижения более высокого напряжения пробоя BVDSS требуется канал исток-сток, а этот канал имеет высокое удельное сопротивление, силовой МОП-транзистор имеет характеристику высокого значения RDS(on).БТИЗ устраняет эти проблемы существующих силовых МОП-транзисторов.Основные недостатки. Хотя последнее поколение силовых МОП-транзисторов значительно улучшило характеристики RDS(on), на высоких уровнях потери проводимости все еще намного выше, чем у технологии IGBT. Меньшее падение напряжения, возможность преобразования в низкое напряжение VCE (Sat), а структура IGBT поддерживает более высокие плотности тока, чем стандартное биполярное устройство, и упрощает схему драйвера IGBT.
Структура кремниевой пластины IGBT очень похожа на структуру силового MOSFET. Основное отличие состоит в том, что IGBT добавляет подложку P+ и буферный слой N+ (технология NPT-без сквозного IGBT не добавляет эту часть). . Как показано на эквивалентной схеме (рис. 1), один МОП-транзистор управляет двумя биполярными устройствами. Нанесение подложки создает соединение J1 между областями P+ и N+ корпуса трубки. Когда положительное смещение затвора приводит к инвертированию области базы P под затвором, формируется N-канал, и в то же время возникает поток электронов, и ток генерируется точно так же, как в мощном МОП-транзисторе. Если напряжение, генерируемое этим потоком электронов, находится в диапазоне 0,7 В, то J1 будет находиться в прямом смещении, создавая дырки в N-области и регулируя удельное сопротивление между катодом и анодом. Таким образом, проводимость энергии снижается. полная потеря и инициирует второй поток заряда. Конечным результатом является временное появление двух различных топологий тока в иерархии полупроводников: поток электронов (ток МОП-транзистора) и ток дырок (биполярный).
Когда к затвору приложено отрицательное смещение или напряжение на затворе ниже порога, канал отключается и в N-область не появляются дырки. В любом случае, если ток МОП-транзистора быстро падает во время фазы переключения, ток коллектора постепенно уменьшается.Это связано с тем, что после начала коммутации в слое N все еще остается несколько носителей (второстепенных носителей). Это уменьшение значения остаточного тока (след) полностью зависит от плотности заряда при выключении, что связано с несколькими факторами, такими как количество и топология легирующих примесей, толщина слоя и температура. Затухание неосновных носителей придает току коллектора характерную форму волны.Ток коллектора вызывает следующие проблемы: повышенное энергопотребление, проблемы перекрестной проводимости, особенно в устройствах, использующих обратные диоды, проблема более очевидна.
Поскольку след связан с рекомбинацией неосновных носителей, текущее значение следа должно быть тесно связано с подвижностью дырок, которая тесно связана с температурой чипа, IC и VCE. Следовательно, в зависимости от достигнутых температур можно уменьшить нежелательное воздействие этого тока на конструкцию конечного устройства.
Когда на коллектор подается обратное напряжение, J1 будет управляться обратным смещением, и обедненный слой расширится до N-области. Поскольку слишком сильное уменьшение толщины этого слоя не приведет к эффективной блокирующей способности, этот механизм очень важен. С другой стороны, если вы слишком сильно увеличите размер этой области, вы продолжите увеличивать перепад давления. Второй момент ясно иллюстрирует, почему падение напряжения у устройства NPT выше, чем у эквивалентного (такой же микросхемы и скорости) устройства PT.
Когда затвор и эмиттер закорочены и на клемму коллектора подается положительное напряжение, переход P/N J3 управляется обратным напряжением. В это время обедненный слой в области дрейфа N все еще подвергается внешнему приложенному напряжению.
IGBT имеет паразитный PNPN-тиристор между коллектором и эмиттером, как показано на рисунке 1. При особых условиях это паразитное устройство может включиться. Это явление увеличивает силу тока между коллектором и эмиттером, снижает управляемость эквивалентного МОП-транзистора и обычно вызывает проблемы с выходом устройства из строя. Явление проводимости тиристора называется защелкой IGBT.В частности, причины этого дефекта различаются и тесно связаны с состоянием устройства. Обычно основные различия между статическими и динамическими защелками заключаются в следующем:
Статическая фиксация происходит, когда все тиристоры являются проводящими. Динамическая фиксация происходит только во время выключения. Это особое явление серьезно ограничивает безопасную рабочую зону. Для предотвращения вредных явлений паразитных NPN и PNP транзисторов необходимо принять следующие меры: Предотвратить включение NPN части, изменить соответственно компоновку и уровень легирования. Уменьшает общий коэффициент усиления по току NPN и PNP транзисторов. Кроме того, ток защелки оказывает определенное влияние на коэффициент усиления по току устройств PNP и NPN, поэтому он также тесно связан с температурой перехода; когда температура перехода увеличивается и коэффициент усиления увеличивается, удельное сопротивление области базы P будет увеличиваться. , нанося ущерб общим характеристикам. Поэтому производители устройств должны уделять внимание поддержанию определенного соотношения между максимальным значением тока коллектора и током защелки, обычно соотношение 1:5.
К статическим характеристикам IGBT в основном относятся вольт-амперные характеристики, характеристики передачи и характеристики переключения.
Вольт-амперная характеристика IGBT представляет собой кривую зависимости между током стока и напряжением затвора, когда в качестве параметра используется напряжение затвор-исток Ugs. Коэффициент выходного тока стока контролируется напряжением затвор-исток Ugs. Чем выше Ugs, тем больше Id. Он имеет выходные характеристики, аналогичные GTR. Его также можно разделить на зону насыщения 1, зону усиления 2 и характеристики пробоя 3. В закрытом состоянии IGBT прямое напряжение передается на переход J2, а обратное напряжение – на переход J1. Если буфера N+ нет, прямое и обратное напряжения блокировки могут достигать одного и того же уровня.После добавления буфера N+ обратное напряжение блокировки может достигать уровня только десятков вольт, что ограничивает некоторые области применения IGBT.
Передаточная характеристика IGBT представляет собой кривую зависимости между выходным током стока Id и напряжением затвор-исток Ugs. Он имеет те же передаточные характеристики, что и MOSFET.Когда напряжение затвор-исток меньше напряжения включения Ugs(th), IGBT находится в выключенном состоянии. В большей части диапазона тока стока после включения IGBT Id имеет линейную зависимость от Ugs. Максимальное напряжение затвор-исток ограничено максимальным током стока, и его оптимальное значение обычно составляет около 15 В.
Коммутационные характеристики IGBT относятся к взаимосвязи между током стока и напряжением сток-исток. Когда IGBT находится во включенном состоянии, его значение B чрезвычайно низкое, поскольку его PNP-транзистор представляет собой транзистор с широкой базой. Хотя эквивалентная схема представляет собой структуру Дарлингтона, ток, протекающий через МОП-транзистор, становится основной частью общего тока IGBT. В это время напряжение открытого состояния Uds(on) можно выразить следующей формулой
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
В формуле Uj1 – прямое напряжение перехода JI, его значение составляет 0,7~1В; Uдр – падение напряжения на удлиненном резисторе Rдр; Roh – сопротивление канала.
Идентификаторы тока во включенном состоянии можно выразить следующей формулой:
Ids=(1+Bpnp)Imos
Где Imos – ток, текущий через МОП-транзистор.
Падение напряжения во включенном состоянии IGBT с выдерживаемым напряжением 1000 В составляет от 2 до 3 В из-за эффекта модуляции проводимости в области N+. Когда IGBT находится в выключенном состоянии, существует лишь небольшой ток утечки.
динамические характеристики
В процессе включения IGBT большую часть времени работает как MOSFET, однако на более поздних стадиях процесса снижения напряжения сток-исток Uds PNP-транзистор переходит из области усиления в состояние насыщения, добавляя задержку. время. td(on) — время задержки включения, tri — время нарастания тока. Время включения тока стока ton, которое часто указывается в практических приложениях, представляет собой сумму td (on) tri. Время спада напряжения сток-исток состоит из tfe1 и tfe2.
Для запуска и выключения IGBT требуется добавление положительного и отрицательного напряжения между его затвором и базой.Напряжение на затворе может генерироваться различными цепями управления. При выборе этих схем управления он должен основываться на следующих параметрах: требования к смещению при выключении устройства, требования к заряду затвора, требования к твердотельному сопротивлению и условия источника питания. Поскольку сопротивление затвор-эмиттер IGBT велико, для запуска можно использовать технологию управления MOSFET. Однако, поскольку входная емкость IGBT больше, чем у MOSFET, смещение выключения IGBT должно быть выше, чем смещение обеспечивается многими схемами управления MOSFET.
В процессе выключения IGBT форма тока стока меняется на два сегмента. Поскольку после выключения МОП-транзистора накопленный заряд PNP-транзистора трудно быстро устранить, что приводит к длительному времени затухания тока стока.td (выкл.) — это время задержки выключения, а trv — время нарастания. напряжения Uds (ф). Время спада Tf тока стока, часто приводимое в практических приложениях, состоит из двух отрезков: t(f1) и t(f2) на рисунке, и времени выключения тока стока
t(выкл.)=td(выкл.)+trv десять t(f)
В формуле сумма td(off) и trv также называется временем хранения.
Скорость переключения IGBT ниже, чем у MOSFET, но значительно выше, чем у GTR. IGBT не требует отрицательного напряжения на затворе для уменьшения времени выключения при выключении, но время выключения увеличивается по мере увеличения параллельного сопротивления затвора и эмиттера. Напряжение включения IGBT составляет около 3–4 В, что эквивалентно напряжению MOSFET. Падение напряжения насыщения IGBT при включении ниже, чем у MOSFET, и близко к GTR. Падение напряжения насыщения уменьшается с увеличением напряжения на затворе.
Напряжение и ток официально коммерческих устройств IGBT по-прежнему очень ограничены, что далеко от удовлетворения потребностей развития прикладных технологий силовой электроники.Многие приложения в области высокого напряжения требуют, чтобы уровень напряжения устройства превышал 10 кВ. В настоящее время этого можно достичь только с помощью технологии последовательного высоковольтного соединения IGBT и т. д., позволяющей использовать приложения с высоким напряжением. Некоторые зарубежные производители, например, швейцарская компания ABB, разработали IGBT-устройства на напряжение 8 кВ, использующие принцип мягкого сквозного соединения. также был задействован в этой области. В то же время основные производители полупроводников продолжают разрабатывать технологии IGBT с высоким выдерживаемым напряжением, большим током, высокой скоростью, низким падением напряжения насыщения, высокой надежностью и низкой стоимостью.Они в основном используют производственные процессы ниже 1 мкм, и был достигнут некоторый новый прогресс. сделано в области исследований и разработок.