Самыми распространёнными приборами силовой электроники при коммутируемых токах до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные и полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Ряд же высоковольтных силовых приборов с большими токами и напряжениями (до единиц киловольт) занимают биполярные транзисторы с изолированным затвором – IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor.
Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), появившиеся в 80-х годах прошлого столетия, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа, и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке.
Высоковольтные MOSFET-транзисторы с подходящими характеристиками оказались достаточно дороги и сложны в производстве. Сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД.
В середине 80-х годов XX века возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине 90-х годов в каталогах ряда компаний появились транзисторы IGBT первого поколения. В настоящее время в каталогах всех ведущих производителей мощных полупроводниковых приборов можно найти такие транзисторы.
Помимо высоковольтных силовых преобразователей с мощностями до единиц-десятков киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными электродвигателями, но с широким диапазоном регулирования скорости вращения.
Так IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах, их с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей, в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.
IGBT – это полупроводниковые приборы, в основе которых лежит многослойная структура. Они состоят из маломощного полевого и мощного биполярного транзисторов, выполненных в едином технологическом цикле из кристалла полупроводникового материала. В результате, входное сопротивление IGBT велико, как и у полевых транзисторов, а напряжение насыщения мало, как у биполярных.
Схематичный разрез структуры IGBT показан выше. Биполярный транзистор образован слоями р (эмиттер), n (база), р+ (коллектор), а полевой – слоями n (исток), n- (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои р+ и р имеют внешние выводы, которые подсоединяются к силовой цепи, а вывод затвора – к цепи управления.
Ниже приведено условное обозначение IGBT и внутреннее соединение транзисторов.
Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открывание полевого транзистора (формируется n-канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область р приводит к открыванию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.
Основные параметры IGBT:
Рmах – максимальная мощность, рассеиваемая транзистором;
Uкэ.max – максимальное напряжение коллектор-эмиттер;
Uкэ.нас – напряжение насыщения коллектор-эмиттер;
Uкз.max – максимальное напряжение коллектор-затвор;
Uэз.max – максимальное напряжение эмиттер-затвор;
Iк.max – максимальный ток коллектора;
frp – граничная частота;
t – длительность импульсов, которые способен коммутировать транзистор;
Cк – емкость коллектора.
Ниже показаны семейство выходных вольтамперных характеристик IGBT-транзистора и зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвор-эмиттер.
Динамические характеристики IGBT-структуры определяются внутренними паразитными емкостями, состоящими из межэлектродных емкостей МДП-транзистора и дополнительных емкостей р-n-р-транзистора.
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.
Ниже показаны динамические характеристики IGBT-транзисторов (td on и to off – времена задержки переключения, tr – время нарастания, a tf – время спада коллекторного тока).