Igbt транзистор принцип работы: IGBT транзистор. Принцип работы и применение.

Транзистор IGBT — принцип работы, структура, основные характеристики | Электронщик

Силовой транзистор IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод — «затвор», который изолирован от силовой цепи. Полное название прибора: биполярный транзистор с изолированным затвором.

Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.

Рис. №1. Эффективность использования технологий на основе мощных IGBT-транзисторов

Преобладающее значение приобрело его использование в цепях силового предназначения для частотных преобразователей, для двигателей переменного тока, мощность, которых может доходить до 1 МВт. По своим вольтамперным характеристикам он считается аналогом биполярному транзистору, однако качественные энергетические показатели и чистота коммутационных действий намного выше, чем качество работы других полупроводниковых элементов.

Постоянно совершенствующиеся технологии позволяют улучшить качественные характеристики транзисторов. Созданы элементы, рассчитанные на большую величину напряжения, выше 3 кВ и большие значения тока до нескольких сотен ампер.

Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов

• Напряжение управления – это разрешенная проводимость, которая отпирает или запирает прибор.
• Открытое проводящее состояние характеризуется падением напряжения, определяемым пороговым напряжением и внутренним сопротивлением, величина максимально допустимого тока.

Для применения в конструкции регуляторов скорости используются транзисторы, рассчитанные на рабочие частоты в пределах до нескольких десятков килогерц.

Преимущества IGBT транзисторов

• Высокая плотность тока.
• Практически отсутствие потерь статического и динамического типа.
• Отсутствие управляющего тока позволяет не прибегать к использованию гальванически изолированных схем для работы и управления с применением дискретных элементов и предоставляет возможность создания интегральных схем – драйверов.
• Стойкость к воздействию короткого замыкания.
• Относительная простота параллельного соединения.

При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока. Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером. Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+. При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Эквивалентом структуре транзистора IGBT можно считать схему подключения транзистора, где n-канальный полевой транзистор выполнит роль промежуточного звена (динамического сопротивления), уменьшаемого в открытом состоянии IGBT. Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-. Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Применение IGBT-транзистора

Одной из важных сфер использования солового транзистора – это использование в сетях с напряжением 6,5 кВ для создания безопасной и гарантированно надежной работы электроустановок в режиме короткого замыкания.

Для ограничения токов к. з. и приближению их к величине, которая не приведет к повреждениям оборудования. Они выполняют ограничение напряжения на затворе до уровня, не превышающем U = 15,3В. Это достигается с помощью применения следующих мер:

• Ограничение величины напряжения на затворе с помощью привязки к фиксированному уровню напряжения. Это возможно в том случае, если драйвер затвора обладает источником стабильного напряжения. Основной способ -добавление в схему диода с малым падением напряжения, например, диод Шотки. Высокая эффективность меры достигается снижением индуктивности цепи между клеммами источника и затвора.
• Ограничение значения напряжения на затворе с помощью присоединения в цепь между эмиттером и затвором — стабилитрона. Эффективность метода достигается максимально приближенным монтажом диодов к вспомогательным клеммам модуля. Для этой цели должны использоваться диоды с очень маленьким температурным дрейфом и разбросом, примером могут служить диоды ограничивающие переходные напряжения (диоды типа: 1,5КЕ6,8Са и 1,5КЕ7,5СА двунаправленные).
• Включение в схему отрицательной эмиттерной обратной связи. Этот метод возможен после подключения эмиттера драйвера затвора к основным клеммам эмиттера модуля. Эмиттерная связь обратного действия способствует эффективному ограничению напряжения на затворе.

Примеры расчета IGBT-транзистора

Выбор транзистора производится по следующим условиям, например, для преобразователей напряжения с резонансным контуром.

• Транзистор должен переключался при значении нулевого тока.
• Форма токовой синусоиды относительно силовых ключей должна быть аналогична к собственной частоте контура и составляет 100 кГц.
• Амплитуда тока должна соответствовать средней мощности, например, как 40 А к 2000 Вт.
• Определение максимального значения напряжения и максимальной частоты переключения транзисторов при условии, что плечи транзисторов должны работать в противофазе.

Для подбора драйвера IGBT транзистора руководствуются параметрами управления затвора, необходимого для коммутирования отпиранием и запиранием силового полупроводника. Для определения мощности управления нужно знать величину заряда затвора Q gate, частоту коммутации (fin) и реальный замеренный размах напряжения на выходе драйвера ΔVgate

Формула заряда затвора:

где время интегрирования должно не превышать время на управление выходных напряжений драйвера до их окончательных показателей, или при достижении выходного токового значения драйвера близкого к нулю.

Выбор максимальной величины тока управления  затвором определяется по упрощенной формуле:

Зависит от осцилляции величины тока на выходе. Если осцилляция тока управления затвором есть, то значение пикового тока должно быть очень большим, а его величина должна определяться исключительно с помощью измерения.

Не менее важны условия учета размаха выходного напряжения. Наихудший случай – это максимальное значение размаха на затворе, измеряется по реально существующей схеме.

Необходим учет максимальной рабочей температуры, руководствуются значением характерным для условия естественной конверсии без использования принудительного охлаждения.

Максимальная частота коммутации, она должна быть максимально-допустимая. На выбор оказывает влияние результирующая выходная мощность и рассеиваемая мощность резистора, используемого в цепи затвора.

Максимальный ток управления зависит от величины пикового тока, который может протекать через реальный контур управления затвором без появления осцилляций.

Проверка мощных IGBT-транзисторов

Проверка силового транзистора возникает при необходимости ревизии сгоревшего транзистора, например, при ремонте сгоревшего сварочного аппарата или с целью подбора пары для устройства, с тем, чтобы убедится, что это не «перемаркер». Проверку осуществляем с помощью мультиметра: прозваниваем вывода коллектора и эмиттера в обоих направлениях, так мы убедимся в отсутствии короткого замыкания. Входную емкость затвор-эмиттер заряжаем отрицательным напряжением. Осуществляется с помощью кратковременного и одновременного прикосновения щупом «СОМ» мультиметра затвора и щупом от гнезда «V/Ω/f» — эмиттера.

Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.

Для проверки необходимо убедиться в рабочей функциональности транзистора. Заряжаем емкость на входе затвор — эмиттер положительным напряжением. Это можно сделать, коротко прикоснувшись щупом мультиметра «V/Ω/f» — затвора, к щупу«СОМ» — эмиттера. Проверяем напряжение между коллектором и эмиттером, оно должно быть не больше 1,5В, меньшая величина напряжения характерна для низковольтных транзисторов. Если напряжения мультиметра не хватает для открытия и проверки транзистора, входная емкость может заряжаться от источника постоянного напряжения со значением до 15 в.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Что такое IGBT-транзисторы

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц. Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Владимир Дьяконов

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Ранее ЭлектроВести писали, что немецкие инженеры разработали полевой транзистор на основе оксида галлия с пробивным напряжением 1,8 кВ и рекордной добротностью — 155 МВт на квадратный сантиметр. Такие показатели приближают элемент к теоретическому лимиту оксида галлия.

По материалам: electrik.info.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах -На заметку

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на 

управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).
Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

25.11.2010

IGBT транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором. Устройство и принцип работы

Недостатком биполярных транзисторов является довольно большая мощность их управления. С другой стороны, полевые транзисторы имеют малую мощность управления, но способны усиливать лишь незначительные токи. Чтоб максимально использовать преимущества каждого из этих типов устройств и уменьшить количество их недостатков были разработаны биполярные транзисторы с изолированным затвором.

В технической литературе эти устройства получили название IGBT транзисторов, от английского Insulated Gate Bipolar Transistor (что в переводе на русский – биполярный транзистор с изолированным затвором).

Если посмотреть уже рассматриваемую нами схему полевого транзистора типа МДП с наведенным каналом, то можно увидеть, что участки истока и стока, которые имеют n-проводимость, вместе с базовой частью р-проводимости создают двухпереходную структуру, которая характерна для биполярного транзистора типа n-p-n. Можно считать, что полевой транзистор с наведенным каналом имеет в то же время все признаки биполярного, как это показано ниже:

Резистор R1 учитывает внутреннее объемное сопротивление р-полупроводника. Если создать в этом устройстве еще один p-n переход с участком, что принадлежит стоку (коллектору), получим схему показанную ниже:

В этой схеме мы получим два биполярных прибора включенных таким образом, что база Т1 в это же время является коллектором Т2, а база Т2 – коллектором Т1. Резистор R2 при этом учитывает сопротивление канала полевого транзистора.

Работа этого устройства объясняется следующим образом – когда к затвору поступает входной сигнал с положительной полярностью, в полевом транзисторе увеличивается стоковый ток. Но он протекает от плюсового вывода источника приложенного напряжения через базу Т2, что вызывает возрастание тока коллектора Т2. Этот ток в это же время является током базы Т1, что вызовет возрастание тока коллектора Т1. Последний в свою очередь проходит через базу Т2, вызывая при этом возрастание тока коллектора данного элемента. Оба элемента друг друга усиливают, что и приводит к значительным изменениям выходного тока через эмиттер Т2 при очень малом возрастании напряжения на затворе полевого элемента. Таким образом получают значительные изменения выходной величины со значительной мощностью, и в то же время прибор почти не требует энергии на управление. Ниже показано обозначение IGBT транзистора на схеме:

В последнее время IGBT элементы получили очень широкое применение в силовой электронике. Область их применения постоянно растет, и IGBT элементы появляются в новых устройствах, вытесняя при этом другие полупроводниковые элементы – тиристоры.

Mosfet транзисторы принцип работы — Electrik-Ufa.ru

MOSFET транзисторы

Полевой транзистор с изолированным затвором

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n – переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел – полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO₂).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов – IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому “+”), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO₂). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом ( +) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO₂). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись “Power MOSFET” или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука

.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому – напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой – лучше IGBT. Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях. Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.

Кратко о MOSFET

MOSFET – это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено – может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества – более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот. Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах – электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.

МОП-транзистор:

• Высокая частота переключения.
• Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера.
• Более низкая емкость затвора.
• Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
• Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль:

• Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
• Лучшая устойчивость к перегрузкам.
• Улучшенная способность распараллеливания схемы.
• Более быстрое и плавное включение и выключение.
• Снижение потерь при включении и при переключении.
• Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Обсудить статью MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Что такое МОП-транзистор, принцип работы, типы, на схеме, преимущества недостатки

В статье расскажем что такое МОП-транзистор (MOSFET),
его принцип работы, типы, символ на схеме, различные применения, преимущества и недостатки.

МОП-транзистор (полевой транзистор на основе оксидов металлов и полупроводников) является наиболее широко используемым типом полевых транзисторов с изолированным затвором. Они используются в различных приложениях благодаря простым рабочим явлениям и преимуществам по сравнению с другими полевыми транзисторами.

Что такое МОП-транзистор

Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (Металлооксидные полевые транзисторы) сокращается как МОП-транзистор. Это просто униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три терминала, состоящих из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.

В последние годы его открытие привело к доминирующему использованию этих устройств в цифровых интегральных схемах из-за его структуры. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, что обеспечивает высокий входной импеданс, который почти бесконечен, таким образом захватывая весь входной сигнал.

Принцип работы МОП-транзистора (MOSFET)

Он изготовлен путем окисления кремниевых подложек. Он работает путем изменения ширины канала, через который происходит движение носителей заряда (электронов для N-канала и дырок для P-канала) от источника к стоку. Терминал затвора изолирован, напряжение которого регулирует проводимость устройства.

Типы МОП-транзистора (MOSFET)

На основе режима эксплуатации МОП-транзисторы можно разделить на два типа.

• Режим насыщения
• Режим истощения

Режим насыщения

В этом режиме отсутствует проводимость при нулевом напряжении, что означает, что оно по умолчанию закрыто или «ВЫКЛ», так как канал отсутствует. Когда напряжение затвора увеличивается больше, чем напряжение источника, носители заряда (дырки) смещаются, оставляя позади электроны, и, таким образом, устанавливается более широкий канал.

Напряжение на затворе прямо пропорционально току, то есть с увеличением напряжения на затворе ток увеличивается и наоборот.

Классификация режима насыщения МОП- транзисторов

Усовершенствованные МОП-транзисторы можно классифицировать на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

• N-канальный тип насыщения MOSFET
• P-канальный тип насыщения MOSFET

N-канальный тип насыщения MOSFET

• Слегка легированная субстрат P-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
• N-канал имеет электроны в качестве основных носителей.
• Подаваемое напряжение затвора положительно для включения устройства.
• Он имеет более низкую собственную емкость и меньшую площадь соединения из-за высокой подвижности электронов, что позволяет ему работать на высоких скоростях переключения.
• Он содержит положительно заряженные примеси, что делает преждевременным включение полевых МОП-транзисторов с N-каналом.
• Сопротивление дренажу низкое по сравнению с P-типом.

P-канальный тип насыщения MOSFET

• Слегка легированная подложка N-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями P-типа.
• P-канал имеет отверстия в качестве основных носителей.
• Он имеет более высокую внутреннюю емкость и малую подвижность отверстий, что делает его работающим при низкой скорости переключения по сравнению с N-типом.
• Подаваемое напряжение затвора является отрицательным для включения устройства.
• Водостойкость выше по сравнению с N-типом.

Режим истощения

В этом типе канал уже установлен, и очевидно, что проводимость происходит даже при нулевом напряжении, и он открыт или включен по умолчанию. В отличие от типа насыщения, здесь канал лишен носителей заряда, чтобы уменьшить ширину канала.

Напряжение на затворе обратно пропорционально току, т. Е. С увеличением напряжения на затворе ток уменьшается.

Классификация режима истощения МОП-транзисторов

Истощающие МОП-транзисторы могут быть классифицированы на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

• Тип истощения канала N МОП-транзистор
• Тип истощения канала P МОП-транзистор

Тип истощения канала N МОП-транзистор

• Полупроводник P-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
• Применяемое напряжение на затворе отрицательное.
• Канал обеднен свободными электронами.

Тип канала истощения канала MOSFET

• Полупроводник N-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
• Поданное напряжение затвора положительное.
• Канал обеднен свободными отверстиями.

Символ на схеме разных типов

МОП-транзистора (MOSFET)

Символы различных типов МОП-транзисторов изображены ниже.

Применение МОП-транзистора

• Усилители MOSFET широко используются в радиочастотных приложениях.
• Он действует как пассивный элемент, такой как резистор, конденсатор и индуктор.
• Двигатели постоянного тока могут регулироваться силовыми полевыми МОП-транзисторами.
• Высокая скорость переключения MOSFET делает его идеальным выбором при проектировании цепей прерывателей.

Преимущества МОП-транзистора

• МОП-транзисторы обеспечивают большую эффективность при работе при более низких напряжениях.
• Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному импедансу и высокой скорости переключения.
• Они работают при меньшей мощности и не потребляют ток.

Недостатки МОП-транзистора

• Тонкий оксидный слой делает МОП-транзисторы уязвимыми для постоянного повреждения, вызванного электростатическими зарядами.
• Напряжение перегрузки делает его нестабильным.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь U_d — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора h_fe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10 17 Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N + -типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N + -типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N + находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Защитные функции современных драйверов IGBT

Режимы короткого замыкания

Для понимания принципов работы схем защиты
от перегрузки по току необходимо проанализировать поведение силовых транзисторов в режиме короткого замыкания (КЗ).

Причины возникновения токовых перегрузок разнообразны, чаще всего это аварийные случаи, такие как пробой на корпус или замыкание нагрузки.
Перегрузка может быть вызвана и особенностями
схемы, например переходным процессом или током
обратного восстановления диода оппозитного плеча.
Подобные проблемы должны быть устранены схемотехническими и технологическими методами: применением цепей формирования траектории (снабберов), выбором резисторов затвора, изоляцией цепей
управления от силовых шин и др. Основные режимы
короткого замыкания и их особенности рассмотрены
далее на примере IGBT-модуля SKM300GB12T4, выполненного по новейшей технологии Trench 4.

Включение транзистора
при коротком замыкании в цепи нагрузки

Условия и результаты испытаний:

• температура кристалла T_j = +150 °C;
• напряжение на DC-шине V_CC = 900 В;
• перенапряжение на терминалах модуля
  V_CEM = 1160 В;
• пиковый ток I_CM = 1715 A;
• длительность импульса КЗ t_pulse = 10 мкс;
• номинальный ток коллектора I_Cnom = 300 A.

«Полумягкий» режим короткого замыкания, при
котором IGBT включается на кабель известной длины,
довольно часто встречается на практике и используется рядом производителей в качестве «тестового». Это
состояние легко реализуемо в лабораторных условиях
и не приводит к фатальным повреждениям ключей,
особенно если испытания проводятся при пониженном напряжении на DC-шине.

Максимальный ток в цепи коллектора транзистора ограничен напряжением на затворе и крутизной
транзистора. Из-за наличия большой емкости звена
постоянного тока (ЗПТ) он практически не зависит
от внутреннего сопротивления источника питания.
Для современных технологий IGBT т. н. «ток самоограничения» (self-limit current) при заданном напряжении на затворе (как правило, V_GE = 15 В) примерно
в 5–6 раз превышает номинальное значение I_Cnom.

В момент включения ток коллектора плавно нарастает в соответствии с выражением V_CC = L_S×dI_C/dt,
где L_S — индуктивность цепи КЗ. После перехода
IGBT в состояние самоограничения (линейный режим) напряжение на коллекторе возрастает, что приводит к рассеянию очень
большой мощности в кристаллах (график
P_V на рис. 1). В нашем «тестовом» случае отключение IGBT происходит примерно через
10 мкс, хотя нормированное время КЗ для
модулей данного типа составляет 6 мкс. В реальных применениях защита современных
драйверов срабатывает через 2–3 мкс после
индикации выхода IGBT из насыщения.

На рис. 2 показаны эпюры тока I_C и напряжения V_CE при поочередном включении модулей SKiiP испытуемого 3-фазного инвертора
на кабель длиной 1 м (L_S ≈ 1 мкГн). Подобные
испытания являются обязательными для всех
IGBT-сборок, производимых дизайн-центром
компании SEMIKRON во Франции. Уровень
перенапряжения при отключении служит интегральной оценкой величины распределенной
индуктивности ЗПТ, позволяющей оценить
качество DC-шины. Для модулей 12 класса напряжение DC-шины при подобных испытаниях составляет 900 В, что на 50–100 В превышает
предельно допустимое значение.

Короткое замыкание нагрузки
включенного транзистора

Этот режим является гораздо более жестким,
чем в предыдущем случае, и он также наблюдается на практике. При замыкании плеча, являющегося оппозитным уже открытому транзистору, у последнего происходит скачкообразный
рост напряжения «коллектор–эмиттер» (V_CE/SC
на рис. 3в), приводящий к увеличению напряжения на затворе V_GE вследствие эффекта Миллера
(верхний график на рис. 3а). В результате этого
ток КЗ возрастает до аномального уровня IC/SCM
(рис. 3б), и нахождение транзистора при такой
нагрузке может оказаться фатальным даже при
быстрой реакции схемы защиты. Для предотвращения данной ситуации в некоторых схемах
управления предусмотрено ограничение напряжения на затворе. Например, в новейшем
драйвере SKYPER 52 для этой цели используется диод Шоттки между затвором и питанием
(+15 В) выходного каскада.

Как было отмечено выше, установившееся значение тока КЗ определяется напряжением на затворе. В то же время уменьшение
этого напряжения приводит к повышению
напряжения насыщения и, следовательно,
к росту потерь проводимости. Устойчивость
к КЗ тесно связана и с крутизной транзистора:
IGBT с высоким коэффициентом усиления
по току имеют низкое напряжение насыщения, но худшую стойкость к перегрузкам, чем
транзисторы с бóльшим значением V_CE(sat).

Сквозное короткое замыкание
транзисторов полумоста

Условия и результаты испытаний:

• температура кристалла T_j = +150 °C;
• напряжение на DC-шине V_CC = 600 В;
• перенапряжение на терминалах модуля
  V_CEM = 960 В;
• пиковый ток I_CM = 1265 A;
• длительность импульса КЗ t_pulse = 10 мкс;
• номинальный ток коллектора I_Cnom = 300 A.

Ситуация, описанная в данном разделе,
является наиболее стрессовой для силовых
ключей, и она должна быть полностью исключена в реальных условиях работы. Подобный
режим, как правило, используется для оценки стойкости IGBT к предельным состояниям (рис. 4). Для имитации режима сквозного
КЗ применяются специальные тестовые драйверы с отключенной опцией INTERLOCK (запрет одновременного включения транзисторов полумоста).

Защитные функции драйверов

К наиболее опасным неисправностям силовых преобразовательных устройств, требующим мгновенной реакции схемы защиты,
относятся короткое замыкание и перенапряжение, наводимое при отключении тока перегрузки.

При возникновении состояния КЗ в цепи
нагрузки или пробое одного из ключей моста происходит лавинообразный рост тока
коллектора исправного IGBT, приводящий
к его выходу из насыщения. В этом состоянии транзистор может находиться только
очень непродолжительное время (10 мкс
для IGBT прежних поколений и 6 мкс для
новых тонкопленочных чипов), что связано
с рассеянием большой величины энергии
в кристаллах. Чтобы предотвратить разрушение модуля вследствие теплового удара,
состояние перегрузки должно быть выявлено
и прекращено в течение короткого времени.
Мониторинг режима КЗ производится с помощью измерения скорости изменения тока
коллектора di/dt или напряжения насыщения
«коллектор–эмиттер» V_CE(sat).

Определение величины di/dt производится с помощью схемы, показанной на рис. 5а.
Падение напряжения на паразитной индуктивности между силовым и дополнительным сигнальным выводом эмиттера пропорционально скорости изменения тока коллектора. Сравнение величины измеренного
сигнала с опорным напряжением позволяет
детектировать состояние «быстрого» КЗ.
Однако мониторинг «медленного» короткого замыкания требует использования резистивного элемента в измерительной цепи
и внутренней соединительной шины между
силовым и сигнальным эмиттером. На точность измерения влияет качество винтовых
соединений силовых терминалов, неизбежно вносящих искажения в характеристику
контактного сопротивления. Поэтому контроль di/dt с помощью дополнительного
эмиттерного вывода может использоваться
только для мониторинга быстрой токовой
перегрузки.

Зависимость напряжения насыщения
V_CE(sat) от тока коллектора задается прямой
характеристикой транзистора, приводимой
на графике V_CE = f(I_C). Чтобы уровень отключения тока перегрузки был коррелирован с заданным значением, опорный сигнал
V_CEref должен изменяться по закону, близкому к кривой спада напряжения «коллекторэмиттер» V_CE. Подобная идеология защиты
носит название DSCP (Dynamic Short Circuit
Protection) (рис. 6).

Мониторинг напряжения насыщения (V_CEsat)
является наиболее известным и распространенным методом выявления состояния КЗ,
в англоязычной литературе он носит название
DESAT (от desaturation — выход из насыщения).
Контроль V_CEsat позволяет выявить перегрузку
по току, вызванную замыканием нагрузки, пробоем выхода на корпус или сквозным током при
открывании (или пробое оппозитного транзистора). Данный способ является достаточно быстродействующим, не подверженным воздействию электромагнитных помех (как в случае
индукционных датчиков тока), он не приводит
к дополнительным потерям мощности, создаваемым резистивными шунтами.

Схему мониторинга DESAT необходимо
блокировать в течение некоторого времени T_bl
(blanking time) после подачи отпирающего
напряжения на затвор транзистора. Между
моментом включения транзистора и его входом в насыщение существует задержка, равная
сумме времени задержки включения t_don и времени спада V_CE. До полного открывания IGBT
на коллекторе присутствует достаточно высокое
напряжение, которое может быть воспринято
схемой защиты как перегрузка по току.

Адаптация схемы мониторинга напряжения насыщения к параметрам конкретного
силового модуля, как правило, производится с помощью подстроечных элементов.
Графики, приведенные на рис. 6, показывают, как меняется опорное напряжение схемы
защиты V_CEref при открывании транзистора
(момент времени T_on) при нормальной работе (а) и перегрузке (б). При возникновении аварийной ситуации напряжение V_CEsat
сравнивается с опорным напряжением, после чего отключаются силовые транзисторы.
Динамический характер изменения опорного
напряжения, согласованный с кривой спада
напряжения «коллектор–эмиттер», позволяет сократить время реакции (уменьшить T_bl)
и снизить риск ложных срабатываний. При
отсутствии состояния перегрузки опорное
напряжение схемы защиты и напряжение насыщения V_CEsat достигают установившегося
значения V_CEstat.

Если индуктивность L_S цепи КЗ оказывается
достаточно большой, ток перегрузки будет нарастать сравнительно медленно, что требует
специальной адаптации схемы DESAT. В этом
случае может быть использован многоступенчатый мониторинг напряжения насыщения,
при котором определяется несколько значений опорного сигнала и времени измерения.
Недостатком данного метода является высокая температурная зависимость и сложность
нормирования параметров каждой ступени.
Гораздо более надежным и эффективным способом детектирования «медленных» перегрузок является использование интегрированных
токовых датчиков, подобный алгоритм реализован в интеллектуальных модулях SKiiP.

Кроме возможности мониторинга различных видов КЗ, важной характеристикой
схемы защиты является скорость отклика
на сигнал неисправности. В некоторых сложных системах, к которым относятся, например, многоуровневые конверторы, процессом отключения системы управляет контроллер верхнего уровня. В этом случае задачей
драйвера является формирование изолированного сигнала неисправности и передача
этого сигнала главному процессору, определяющему порядок запирания транзисторов.
Например, в многоуровневых преобразователях прямое отключение драйвером силовых ключей недопустимо, поскольку может
привести к появлению на одном из IGBT
полного напряжения питания на время передачи сигнала неисправности и получения
команды контроллера. Тем не менее в большинстве практических применений защита
от токовых перегрузок является функцией
драйвера, способного обеспечить быструю
и адекватную реакцию.

Коммутационные перенапряжения

Перенапряжения, образующиеся при коммутации IGBT из-за наличия распределенных
индуктивностей силовых шин, также относятся к «быстрым» перегрузкам. В отличие от них
внешние всплески напряжения, приходящие
со стороны сети, относятся к «медленным»,
их ограничение выполняется с помощью фильтров и полупроводниковых супрессоров.

Снижение уровня коммутационных перенапряжений, возникающих при прерывании
тока КЗ, осуществляется с помощью режима
плавного (SSD, STO) или двухуровневого
отключения. В первом случае ограничение
режимов на уровне, удовлетворяющем требованиям области безопасной работы (SOA),
обеспечивается благодаря снижению скорости
выключения di/dt за счет увеличения номинала резистора затвора R_Goff.

Подавление коммутационных всплесков может осуществляться в режиме т. н. активного
ограничения, когда недопустимое повышение
сигнала на коллекторе приводит к отпиранию
IGBT (рис. 7). Подобная схема реализуется с помощью цепочки импульсных стабилитронов,
устанавливаемых между коллектором и затвором транзистора. Суммарное напряжение стабилитронов определяет уровень сигнала, при
котором начинается ограничение. Недостатком
данного метода является то, что вся энергия,
запасенная в паразитных индуктивностях
(L_S×I²/2), рассеивается в транзисторе, переходящем в линейный режим. Воздействие подобных тепловых ударов приводит к ускоренному
старению материалов модуля и сокращению
его ресурса. Кроме того, режим активного ограничения часто сопровождается высокочастотным дребезгом на затворе.

Более изящным решением, реализованным
в новейшем цифровом драйвере SKYPER 52
производства SEMIKRON, является использование режима «интеллектуального отключения» IntelliOff. Схема управления IntelliOff
позволяет изменять скорость разряда емкостей затвора в процессе выключения IGBT.
Принцип ее работы поясняется графиками,
приведенными на рис. 8.

При поступлении на вход драйвера сигнала
выключения силового транзистора, он формирует на затворе отрицательное напряжение V_Eoff,
приводящее к активному разряду входной C_GE
и обратной емкости C_GC. Для ускорения процесса выключения IGBT он начинается при минимальном значении резистора затвора R_Goff, ток
затвора I_G при этом достигает своего предельного
значения (интервал времени t₀). После того как
сигнал управления затвором уменьшится до порогового значения, начинается рост напряжения
«коллектор–эмиттер» V_CE. Вследствие обратной
связи за счет эффекта Миллера V_GE при этом стабилизируется на уровне V_GE(p_l) до окончания интервала t₁. Схема IntelliOff позволяет сократить
длительность «плато Миллера» за счет высокой
скорости разряда Q_g.

После того как прекратится компенсирующее действие тока затвора, наведенного через
емкость Миллера, начинается резкий спад тока
коллектора I_C, сопровождаемый всплеском напряжения V_CE (интервал времени t₂). В этот момент схема управления затвором увеличивает
значение R_Goff, снижая таким образом скорость
изменения тока di/dt. При правильном выборе
соотношения сопротивлений затвора описанный алгоритм управления IntelliOff обеспечивает быстрое и безопасное запирание IGBT при
минимальном уровне динамических потерь
и перенапряжения. Новая концепция управления затворами особенно востребована для новых поколений IGBT, отличающихся высокими
скоростями переключения и жесткими требованиями по режимам перегрузки. Переход на тонкопленочные технологии потребовал сокращения нормированного времени КЗ с 10 до 6 мкс,
что связано со сложностью рассеяния большой
энергии, запасаемой в режиме перегрузки в тонкопленочных чипах. Очевидно, что концепция
IntelliOff имеет в этом плане неоспоримые
преимущества, поскольку не создает в режиме
КЗ дополнительных потерь мощности, неизбежных в режиме активного ограничения.

Заключение

Одной из важнейших функций схемы
управления затворами IGBT является безопасное и быстрое отключение силового каскада
в случае токовой перегрузки. Концепция построения «идеальной» схемы защиты зависит от конкретного применения, диапазона
мощности и условий эксплуатации силового
преобразователя. Механизмы возникновения
отказов могут отличаться для различных систем, поэтому они должны быть проанализированы на этапе проектирования с учетом
указанных факторов.

Использование драйвера затворов для постоянной коррекции режимов работы не является
рациональным решением и ведет к снижению
надежности. Функция интеллектуального отключения IntelliOff позволяет решить задачу
ограничения коммутационных выбросов при
отключении тока КЗ и одновременно снизить
энергию потерь выключения. При этом мониторинг напряжения насыщения V_CEsat остается
самым надежным способом выявления состояния токовой перегрузки. Этот метод имеет ряд
очевидных преимуществ перед детектированием di/dt, главным из которых является простота адаптации к конкретной схеме применения
и параметрам силового модуля.

Разработчики схем управления изолированными затворами предлагают множество вариантов защиты, отличающихся набором базовых функций, сервисом, возможностями настройки. При использовании простейших
драйверов часть функций защиты приходится
передавать управляющему контроллеру, как
правило, способному реагировать только
на «медленные» аварийные состояния. С другой стороны, применение избыточных систем
защиты зачастую приводит к чрезмерному
усложнению и удорожанию конвертора. Для
поиска оптимального с экономической и технической точки зрения решения разработчик
преобразовательной системы должен понимать механизмы возникновения перегрузок
и оценивать их опасность в зависимости
от конкретных условий работы.

Литература

1. www.semikron.com
2. Колпаков А. Драйверы MOSFET/IGBT —
   идеология ядра // Электронные компоненты.
   2006. № 6.
3. Колпаков А. SKYPER 52 — цифровой драйвер для применений высокой мощности //
   Силовая электроника. 2008. № 3.

Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором

Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Различают две технологии реализации IGBT транзисторов, которые поясняются эквивалентными схемами, приведенными на рис.1а, б, а для маломощных транзисторов – на рис.1, в [2]. Как следует из рис.1, IGBT транзисторы имеют три электрода: эмиттер (э), коллектор (к) и затвор (з).

Рис.1 Tехнологии реализации IGBT транзисторов

Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии.

Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано «коллектор», а где обозначен коллектор написано «эмиттер». Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения U_макс=1000В, тока I_макс≈ 25А и минимальное значение времени переключения t_{пер.мин}≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения U_макс=1600В, I_макс≈ 50А и минимальное значение времени переключения t_{пер.мин}≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения U_макс=3500В тока I_макс≈ 100А и минимальное значение времени переключения t_{пер.мин}≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:U_макс=4500В, I_макс≈ 150А, время переключения t_{пер.мин}≈0.2мкс

Для входного пробивного напряжение U_вх.пр современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное U_вх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2 [1].

 

Табл.1
Тип элемента	Uкэ В	Uкэн В	Iк при t=25°С А	Iк при t=100°С А	Р Вт
IRG4BC30FD	600	1,6	31	17	100
IRGBC30MD2	600	3,9	26	16	100
IRG4PC30FD	600	1,6	31	17	100
IRG4PC40FD	600	1,5	49	27	160
IRG4PC50FD	600	1,5	70	39	200
IRGPC40MD2	600	4,0	40	24	160
IRGPC50MD2	600	3,0	59	35	200
IRGPh40MD2	1200	4,5	15	9	100
IRGPh50FD2	1200	4,3	29	17	160
IRGPh50MD2	1200	4,4	31	18	160
IRGPH50FD2	1200	3,9	45	25	200
IRGPH50MD2	1200	3,9	42	23	200
OM6516SC	1000	4,0	–	25	125
OM6520SC	1000	4,0	–	25	125

 

Табл.2
Тип модуля	Uкэ В	Uкэн В	Iк при t= 25°С А	Iк при t= 100°С А	Р Вт
IRGDDN300M06	600	3,0	399	159	1563
IRGDDN400M06	600	3,0	599	239	1984
IRGDDN600M06	600	3,7	799	319	2604
IRGRDN300M06	600	3,0	399	159	1563
IRGRDN400M06	600	3,0	599	239	1984
IRGRDN600M06	600	3,7	799	319	2604
IRGTDN200M06	600	3,0	299	119	1000
IRGTDN300M06	600	3,0	399	159	1316

Где:

• U_кэ — Напряжение коллектор-эмиттер
• U_кэн— Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
• I_к — Постоянный ток коллектора
• Р — Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения.

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения.

IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

• Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
• Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
• Меньшими потери в режимах импульсных токов.
• Практически прямоугольной областью безопасной работы.
• Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
• Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

 

Рис.2 Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным.

У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами.

С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А.

По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс.

Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы.

IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

Управление МОП и IGBT транзисторами

МОП и IGBT транзисторы являются полупроводниковыми приборами, управляемыми напряжением. Из обширного круга вопросов, относящихся к проблеме управления этими приборами, особый интерес представляет наиболее сложный случай управления, который имеет место в мостовой или полумостовой схеме включения с индуктивной погрузкой.

Отметим, что управление транзисторами инверторов можно осуществлять через импульсные высокочастотные трансформаторы, хотя такое управление усложняет конструкцию и принципиальную схему инвертора. Отсутствие тока потребления на управление в статических режимах и низкое общее потребление мощности затворами транзисторов позволяют отказаться от трансформаторных схем питания.

Компаниями-производителями силовых полупроводников выпускается ряд драйверов управления, которые согласовывают маломощную схему управления с выходными транзисторами верхнего и нижнего плеча силового инвертора. Выходные каскады этих драйверов выполняются, как правило, в виде двухтактных усилителей мощности на полевых транзисторах, обеспечивающих импульсный выходной ток до 2 А. Организация питания верхнего плеча инвертора осуществляется по схеме зарядного «насоса», показанной на рис. 3.

Рис.3 Схема питания верхнего плеча инвертора

Схемы формирования, гальваническая развязка и усилитель нижнего плеча драйверов получают питание от низковольтного вспомогательного источника питания U_н. При включении транзистора нижнего плеча VT2 (в первом полупериоде работы) диод VD1 открывается и заряжает накопительный конденсатор С1, в дальнейшем питающий усилитель верхнего плеча. В каждом полупериоде при открытом транзисторе VT2 конденсатор C1 подзаряжается, а при открытом транзисторе VT1 питается выходной усилитель верхнего плеча.

В последнее время фирмы-производители полупроводниковых приборов начали выпускать различные драйверы отдельных транзисторов полумостовых и мостовых схем, выдерживающие напряжение до 600 В. В качестве примера приведем наименование некоторых из этих драйверов [3]:

• IR2125 – драйвер верхнего плеча;
• IR2110, Н1Р25001Р, PWR 200/201– драйверы полумостового инвертора;
• IR2130 – драйвер трехфазной мостовой схемы;
• IR2155 – драйвер полумостового инвертора с автогенератором.

Эти драйверы надежно работают и обеспечивают оптимальные параметры в работе с МОП и IGBT транзисторами. К тому же их стоимость небольшая, а схемы инверторов требуют установки всего лишь одного драйвера и нескольких внешних компонентов.

Переключение больших токов с высокими скоростями переключения сопряжено с рядом трудностей. Для получения надежно работающих устройств основные усилия должны быть направлены на создание конструкции с минимизированными величинами паразитных индуктивностей, которые в случае не принятия специальных мер могут запасать значительное количество энергии в силовых шинах тока и вызывать нежелательные переключения силовых ключей, всплески высокого напряжения, дополнительную мощность рассеяния на силовых транзисторах, ложные срабатывания и т.д.

Микросхема драйвера IR2110 является одной из многих схем, применяемых для полумостовых высоковольтных инверторов. Полумостовой инвертор на IGBT транзисторах показан на рис. 4. Резисторы R2 и R3 служат для уменьшения скорости переключения силовых транзисторов. Дело в том, что управление затворами мощных IGBT или МОП транзисторов непосредственно от драйвера IR2110 или ему аналогичного может привести к нежелательно высоким скоростям переключения.

Реальная конструкция инвертора обладает конечными значениями величин индуктивностей соединений, на которых выделяются всплески напряжений при переключениях плеч, причем чем меньше время переключения, тем больше амплитуда всплеска. Величины резисторов R2 и R3 выбираются таким образом, чтобы фронты переключений не порождали значительных потерь и больших импульсных амплитуд, нарушающих работу инвертора.

Рис.4 Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

На входы 10 и 12 драйвера должны поступать две импульсные последовательности, причем вход 10 управляет транзистором VT1, а вход 12 – транзистором VT2. Вход 11 включает или выключает инвертор и может использоваться для защиты, то есть при подаче напряжения на вход 11 работа преобразователя прекращается.

Драйвер IR2155, позволяющий получить самую простую схему полумостового преобразователя, представляет собой монолитную интегральную схему, способную управлять двумя транзисторами в полумостовом преобразователе. Они могут работать при напряжениях питания до 600 В, имеют четкие формы выходных импульсов с коэффициентами заполнения от 0 до 99 %.

Функциональная схема драйвера IR 2151 показана на рис. 5.

Рис.5 Функциональная схема драйвера IR 2151

Драйвер содержит входную часть на операционных усилителях, которая может работать в автогенераторном режиме. Частота определяется дополнительными навесными элементами, подключаемыми к выводам C1, R1. Генераторы паузы на нуле обеспечивают задержки во включении выходного транзистора на 1 мкс после закрытия предыдущего транзистора. В канале верхнего плеча осуществляется гальваническая развязка, далее напряжение усиливается усилителем мощности на полевых транзисторах и выходное напряжение с выхода HO(7) поступает на затвор силового транзистора. Нижнее плечо работает от задающего генератора через генератор паузы на нуле и устройство задержки.

Для обеспечения стабильности работы драйвера внутри имеется стабилитрон, ограничивающий напряжение Vcc(1) на уровне 15 В.

 

Литература

1. Short form catalog International Rectifier. Product Digest.
2. В.И. Сенько и др. Электроника и микросхемотехника (на укр. яз.). Том 1. – К.: Обереги, 2000.
3. М. Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – К.: МК-Прогрес, 2007.
4. Микросхемы для импульсных источников питания – 3. – М.: Изд. дом «Додека – ХХI», 2002.

Что такое IGBT? — Принцип конструкции и работы

В этой статье объясняется IGBT, его символ, конструкция и принцип работы с соответствующей структурой и принципиальными схемами.

Что такое IGBT?

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) представляет собой трехконтактный переключатель питания, имеющий высокий входной импеданс, такой как PMOSFET, и низкие потери мощности в открытом состоянии, как в BJT (биполярный транзистор). Таким образом, IGBT — это комбинация лучших качеств как BJT, так и PMOSFET.Это самый популярный выключатель питания среди инженеров силовой электроники, который находит множество применений.

IGBT — устройство с тремя выводами. Три терминала — это ворота (G), эмиттер (E) и коллектор (C). Обозначение схемы IGBT показано ниже.

IGBT также известен как металлооксидный транзистор с изолированным затвором (MOSIGT), полевой транзистор с модуляцией проводимости (COMFET) или полевой транзистор с модуляцией усиления (GEMFET). Первоначально он назывался транзистором с изолированным затвором (IGT).

Строительство IGBT:

БТИЗ построен на подложке из слоя p +. На p + -подложке эпитаксиально выращивается n-слой с высоким удельным сопротивлением. Как и в других полупроводниковых устройствах, толщина n-слоя определяет способность IGBT блокировать напряжение. На другой стороне подложки p + нанесен металлический слой, образующий клемму коллектора (C). Теперь p-области диффундируют в эпитаксиально выращенном n-слое. Кроме того, n + -области рассеиваются в p-области. Базовая конструкция IGBT показана на рисунке ниже.

Теперь на поверхности вырос изолирующий слой диоксида кремния (SiO ₂ ). Этот изолирующий слой протравлен, чтобы заделать металлические выводы эмиттера и затвора.

Подложка p + также называется слоем инжектора, потому что она вводит дырки в n-слой. N-слой называется дрейфовой областью. Следующий слой p называется корпусом IGBT. N-слой между p + и p-областями служит для размещения обедненного слоя pn-перехода, то есть J2.

Эквивалентная цепь

:

Примерная эквивалентная схема IGBT состоит из полевого МОП-транзистора и p + n-p транзистора (Q ₁ ). Чтобы учесть сопротивление, создаваемое областью n-дрейфа, в схему было включено сопротивление R _d . Это показано ниже.

Эта эквивалентная схема может быть получена путем тщательного изучения базовой структуры IGBT. Базовая структура показана ниже.

Из рисунка выше видно, что по мере продвижения вверх от коллектора к эмиттеру мы сталкиваемся с слоями p +, n-, p.Это означает, что IGBT можно рассматривать как комбинацию MOSFET и транзистора p ⁺ n ^— p (Q ₁ ). Это основа для примерной схемы замещения.

Теперь внимательно изучите базовую структуру IGBT, показанную выше. Вы заметите, что существует другой путь от коллектора к эмиттеру; этот путь коллектор, p +, n ^— , p (n-канал), n + и эмиттер. Таким образом, в структуре IGBT имеется еще один транзистор Q ₂ as n ^— pn +.Таким образом, нам нужно включить этот транзистор Q ₂ в примерную эквивалентную схему, чтобы получить точную эквивалентную схему.

Точная эквивалентная схема IGBT показана ниже.

R _на в этой цепи — это сопротивление, оказываемое областью p потоку дырочного тока.

Принцип работы IGBT:

Принцип работы IGBT основан на смещении затвора к клеммам эмиттера и коллектора к клеммам эмиттера.Когда коллектор положительный по отношению к эмиттеру, IGBT смещается вперед. При отсутствии напряжения между затвором и эмиттером два перехода между n-областью и p-областью, то есть переходом J2, имеют обратное смещение. Следовательно, ток от коллектора к эмиттеру не течет. Вы можете обратиться к рисунку 1 для лучшего понимания.

Когда затвор становится положительным по отношению к эмиттеру некоторым напряжением V _G (это напряжение должно быть больше, чем пороговое напряжение V _GET IGBT), n-канал формируется в верхней части p-области прямо под воротами.Этот n-канал называется инверсионным слоем . Этот n-канал замыкает n-область на n + эмиттерную область. Электроны от n + эмиттера начинают течь в n-дрейфовую область через n-канал.

Поскольку IGBT смещен в прямом направлении с положительным положением коллектора и отрицательным эмиттером, область коллектора p + вводит дырки в область n-дрейфа. Таким образом, область n-дрейфа заполняется электронами из области p-тела и дырками из области p + коллектора. При этом концентрация инжектируемых носителей заряда в n-дрейфовой области значительно возрастает, а следовательно, и проводимость n-области увеличивается.Таким образом, IGBT включается и начинает проводить прямой ток I _C .

Ток I _C или I _E состоит из двух компонентов тока:

• Дырочный ток I _ч из-за инжекции дырок из коллектора p +, p + n ^— p транзистор Q ₁ , сопротивление области p-тела R _на и эмиттер.
• Электронный ток I _e из-за инжектированных электронов, текущих из коллектора, инжекционного слоя p +, области дрейфа n-, сопротивления n-канала R _ch , n + и эмиттера.

Следовательно, коллектор или нагрузка ток

I _C = Ток эмиттера

= I _E

= I _h + I _e

Основной ток коллектора — это электронный ток I _e , т.е. основной путь тока для коллектора или нагрузки, ток проходит через p +, n-, сопротивление дрейфа R _d и сопротивление n-канала R _ch . Это показано в точной эквивалентной схеме.

Падение напряжения в IGBT во время его включения состоит из падения напряжения в n-канале, падения напряжения в дрейфующей n-области, падения напряжения на смещенном в прямом направлении p + n-переходе J1.Падение напряжения на переходе J1 очень мало, порядка 0,7–1 В. Падение напряжения IGBT во включенном состоянии очень мало, и, следовательно, потери в состоянии включения также малы.

VI характеристика IGBT и принцип его работы »Электронные устройства

VI-характеристики IGBT показаны на рисунке. В прямом направлении они аналогичны таковым у биполярных транзисторов. Единственное отличие состоит в том, что управляющим параметром является напряжение Vgs затвор-исток, а управляемым параметром является ток стока.Принцип работы IGBT основан на модуляции проводимости.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой трехконтактный полупроводниковый прибор, представляющий собой гибрид полевого МОП-транзистора и BJT для обеспечения высокой эффективности и быстрого переключения. Прочтите эту статью, чтобы узнать о структуре работы IGBT и приложениях IGBT.

power BJT имеет преимущество низкого рассеяния мощности в состоянии, но его нельзя переключать с большей скоростью из-за более длительного времени выключения , тогда как полевые МОП-транзисторы имеют очень высокую скорость переключения , но их пропускная способность по мощности невысока. так же хорошо, как у BJT.

VI характеристики IGBT:

Таким образом, IGBT представляет собой управляемое напряжением устройство с изолированным затвором. Ток стока увеличивается с увеличением Vgs при постоянном значении Vds

.

IGBT обладает всеми преимуществами из MOSFET благодаря изолированному затвору . Он также обладает всеми преимуществами BJT благодаря биполярной проводимости .

Как видно из характеристик VI IGBT , ток стока (или ток коллектора) увеличивается с увеличением напряжения между затвором и истоком (Vgs).

Также обратите внимание, что напряжение между затвором и истоком Vgs положительное. Vds — прямое напряжение пробоя.

Это значение Vds, при котором происходит лавинный пробой. В этот момент напряжение на устройстве и ток через него высокие.

Следовательно, мощность , рассеиваемая в устройстве, будет очень большой и приведет к его повреждению. Следовательно, устройство должно работать при напряжении ниже этого.

Типы IGBT:

В зависимости от того, был ли буферный слой n + включен в структуру IGBT или нет, они делятся на две категории:

• Непробиваемый IGBT (n + слой отсутствует).Пробить через IGBT (присутствует n + слой).
• БТИЗ непробиваемого типа обладают симметричной блокирующей способностью. Это означает, что без выхода из строя они могут успешно блокировать высокие положительные и отрицательные напряжения (Vds).
• Пробойник через IGBT имеет асимметричную блокирующую способность. Это означает, что они могут последовательно блокировать положительный Vds, но не могут успешно блокировать отрицательное напряжение.

Принцип работы IGBT:

Принцип работы IGBT аналогичен принципу работы полевого МОП-транзистора.

Операцию можно разделить на две части: Создание инверсионного слоя и

• Создание инверсионного слоя.
• Модуляция проводимости.

Создание инверсионного слоя:

Работа IGBT основана на принципе создания инверсионного слоя, который аналогичен таковому для силового MOSFET.

В IGBT также, когда положительное напряжение затвор-исток Vgs больше, чем Vgs (порог), слой инверсии n-типа создается под слоем SiO2 (оксид), как показано на рисунке.

Из-за образования индукционного слоя n-типа в слое тела p-типа образуется канал (n + n n-), который помогает установить электронный ток.

Единственное различие между MOSFET и IGBT состоит в том, что в MOSFET отсутствует «модуляция проводимости» дрейфового слоя.

Следовательно, сопротивление Rds в открытом состоянии и, следовательно, потери мощности в открытом состоянии в MOSFET очень высоки. Однако в IGBT происходит модуляция проводимости, которая снижает потери в открытом состоянии, как объясняется следующим образом:

Модуляция проводимости:

В IGBT имеет место модуляция проводимости n-дрейфового слоя.

Эффект модуляции проводимости заключается в уменьшении сопротивления в открытом состоянии и, следовательно, потерь мощности в открытом состоянии. Следовательно, потери в открытом состоянии в IGBT меньше, чем в MOSFET.

Модуляцию проводимости в n-дрейфовом слое можно пояснить с помощью рисунка.

Из-за приложения прямого напряжения между стоком (коллектором) и истоком (эмиттером) переход J3 смещен в прямом направлении.

За счет создания инверсионного слоя.электроны из источника инжектируются в дрейфовый n-слой по n + pn-каналу.

Поскольку переход J3 уже смещен в прямом направлении, он будет вводить дыры в буферный слой n + из слоя p +.

Электроны, инжектированные в дрейфовый слой n-типа, создают объемный заряд, который будет притягивать дырки из буферного слоя n +, которые были введены слоем p +.

Таким образом, происходит «двойная инжекция» (электронов и дырок) в область n-дрейфа с обеих сторон.

Это увеличивает проводимость области дрейфа и снижает сопротивление до минимума. Таким образом, модуляция проводимости снизит напряжение в открытом состоянии на IGBT.

Связанные

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) | Принцип работы

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — это трехконтактное переключающее устройство, которое объединяет полевой транзистор для управления с биполярным транзистором для переключения.См. Рисунок 1.

Рис. 1. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — это трехконтактное переключающее устройство, которое объединяет полевой транзистор с биполярным транзистором.

Характеристики IGBT

Основное различие в конструкции между силовым полевым МОП-транзистором и IGBT состоит в добавлении слоя инжекции в IGBT.

Из-за наличия инжекционного слоя дырки инжектируются в высокоомный N-слой, и возникает переполнение носителя.Это увеличение проводимости N-слоя позволяет снизить напряжение в открытом состоянии IGBT. См. Рисунок 2.

Кремниевый IGBT стал известен как переключатель мощности для приложений высокого напряжения (более 500 В) и высокой мощности (более 500 Вт).

IGBT представляет собой комбинацию биполярного транзистора и полевого МОП-транзистора. Он имеет характеристики переключения выхода и проводимости биполярного транзистора, но управляется напряжением, как полевой МОП-транзистор. Это означает, что он обладает преимуществом сильноточной обработки биполярного транзистора с легкостью управления MOSFET.

IGBT — это силовой полупроводниковый прибор, отличающийся высокой эффективностью и быстрым переключением. Решение о том, использовать ли IGBT или MOSFET, зависит от приложения. При выборе IGBT следует учитывать требования к стоимости, размеру, скорости и окружающей среде.

Рисунок 2. Основное различие между силовым полевым МОП-транзистором и IGBT состоит в добавлении слоя инжекции в IGBT.

Работа IGBT

IGBT — это устройства с быстрой коммутацией.Операции IGBT состоят из операций блокировки, состояния ВКЛ / ВЫКЛ и фиксации. Безопасная рабочая зона (SOA) IGBT защищает от индуктивного отключения.

Две конфигурации IGBT включают конфигурации с сквозным отверстием (PT) и без него (NPT).

Блокировка операции

Состояние включения / выключения IGBT определяется напряжением на затворе.

Если напряжение, приложенное к контакту затвора по отношению к эмиттеру, меньше порогового напряжения, то слой инверсии полевого МОП-транзистора не создается, и устройство выключается.В этом случае любое приложенное прямое напряжение должно падать на переход с обратным смещением. Единственным протеканием тока должен быть небольшой ток утечки.

Таким образом, прямое напряжение пробоя определяется напряжением пробоя перехода. Это важно для силовых устройств с большими напряжениями и токами.

Напряжение пробоя перехода зависит от легирования. Более низкая степень легирования приводит к более широкой обедненной области и меньшему максимальному электрическому полю в обедненной области, поэтому область дрейфа (N–) легирована намного легче, чем область тела.

Буферный слой (N +) присутствует для предотвращения распространения обедненной области в биполярный коллектор. Преимущество этого буферного слоя заключается в том, что он позволяет уменьшить толщину дрейфовой области, тем самым уменьшая потери в открытом состоянии.

Работа в открытом состоянии

Включенное состояние IGBT достигается увеличением напряжения затвора до значения, превышающего пороговое напряжение. Это увеличение напряжения приводит к образованию инверсионного слоя под затвором, который обеспечивает канал, соединяющий источник с областью дрейфа IGBT.Затем электроны инжектируются из источника в область дрейфа. При этом в область дрейфа инжектируются дырки.

Эта инжекция вызывает проводимость дрейфовой области, где концентрации электронов и дырок выше, чем при исходном легировании N–. Эта проводимость обеспечивает низкое напряжение в открытом состоянии IGBT. Это возможно из-за пониженного сопротивления области дрейфа.

Некоторые из инжектированных дырок должны рекомбинировать в дрейфовой области. Другие могут пересекать область за счет дрейфа и диффузии и достигать стыка области тела, где они собираются.

Работа в выключенном состоянии

Либо затвор должен быть закорочен на эмиттер, либо к затвору должно быть приложено отрицательное смещение.

Когда напряжение затвора падает ниже порогового напряжения, инверсионный слой не может поддерживаться, и подача электронов в область дрейфа блокируется. В этот момент начинается процесс отключения.

Процесс отключения не может быть завершен так быстро, как хотелось бы, из-за высокой концентрации неосновных носителей, инжектированных в область дрейфа во время прямой проводимости.Коллекторный ток быстро уменьшается из-за прекращения прохождения электронного тока через канал. Затем ток коллектора уменьшается по мере рекомбинации неосновных носителей заряда.

Операция с фиксацией

Во время работы в открытом состоянии пути прохождения тока в IGBT позволяют вводить дыры в область дрейфа от коллектора (P +).

Части дырок исчезают в результате рекомбинации с электронами из канала MOSFET. Остальные части дырок притягиваются в окрестности инжекционного слоя отрицательным зарядом электронов.Эти отверстия пересекают область тела и вызывают падение напряжения в сопротивлении тела.

Находясь в состоянии фиксации, затвор MOSFET не контролирует ток коллектора. Единственный способ отключить IGBT — отключить ток, как и в случае с обычным тиристором.

Примечание: Если фиксация не прекращается быстро, IGBT может выйти из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности.

Безопасная рабочая зона IGBT

Безопасная рабочая зона (SOA) — это предел тока-напряжения, при котором устройство переключения мощности, такое как IGBT, может работать без разрушения.Область определяется максимальным напряжением коллектор-эмиттер (V _CE ) и током коллектора (I _C ), которым должна управляться работа IGBT, чтобы защитить IGBT от повреждения.

Типы SOA для IGBT: безопасная рабочая зона с прямым смещением (FBSOA), безопасная рабочая зона с обратным смещением (RBSOA) и безопасная рабочая зона с коротким замыканием (SCSOA). Два основных условия, которые могут повлиять на SOA IGBT, — это работа во время короткого замыкания и индуктивное отключение.

Защита должна быть на месте при переключении индуктивных нагрузок. Это можно сделать с помощью обычных диодов, стабилитронов или резисторов. Используемый метод зависит от приложения. БТИЗ часто нуждаются в таком типе защиты от индуктивных нагрузок, чтобы предотвратить индуктивное отключение.

ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКТ

БТИЗ

, которые используются в частотно-регулируемых приводах в качестве переключающих устройств двигателя, иногда выходят из строя. Отказ можно уменьшить, используя линейные и нагрузочные дроссели, ограничивая расстояние между приводом и двигателем, оставляя достаточно открытого пространства для охлаждения привода, увеличивая время разгона / торможения двигателя, снижая настройку частоты ШИМ, обеспечивая надлежащее заземление и не нагружая привод. более 80% своего рейтинга.

Конфигурации PT и NPT

Для конструкции IGBT используются два типа структур: сквозная (PT) структура и непробиваемая (NPT) структура.

IGBT называется PT IGBT, когда есть буферный слой (N +) между слоем инжекции (P +) и областью дрейфа (N–). В противном случае его называют NPT IGBT.

Буферный слой улучшает скорость отключения за счет уменьшения количества впрыскиваемых неосновных носителей и повышения скорости рекомбинации во время переключения переключения.

PT IGBT имеет те же характеристики, что и NPT IGBT, по скорости переключения и прямому падению напряжения. В настоящее время наиболее распространенными IGBT являются PT IGBT.

Выпрямитель IGBT

| Гальваническая машина

Краткое описание выпрямителя IGBT:

Посредством всестороннего анализа эквивалентной схемы для упрощения объяснения громоздкого принципа работы IGBT и его роли, а также отмеченных характеристик IGBT. Можно сказать, что IGBT — это переключающее устройство, которое включается или выключается, оно сочетает в себе преимущества высокого входного сопротивления MOSFET и низкого падения напряжения проводимости GTR.

IGBT Состав выпрямителя:

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), состоящий из BJT (биполярный транзистор) и MOS (полевой транзистор с изолированным затвором) композитных полностью управляемых силовых полупроводниковых устройств, управляемых напряжением, с высоким входным сопротивлением MOSFET и Низкое падение напряжения в открытом состоянии GTR. Падение давления насыщения GTR, высокая плотность тока носителя, но ток возбуждения большой; Мощность привода MOSFET очень мала, быстрая скорость переключения, но большое падение напряжения проводимости, плотность несущей мала.
IGBT сочетает в себе преимущества этих двух устройств, мощность привода мала, а насыщение при низком падении напряжения. Очень подходит для постоянного напряжения 600 В и выше, систем с переменным расходом, таких как двигатель переменного тока, инвертор, импульсный источник питания, цепи освещения, тяговый привод и другие области.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — самый молодой из семейства высоковольтных переключателей. Источник напряжения с высоким импедансом 15 В облегчает прохождение тока через устройство, что позволяет достичь более низкой управляющей мощности для управления высоким током.

Принцип и действие выпрямителя IGBT:

Проще говоря, IGBT — это переключатель, включенный или выключенный, как управлять его включением или выключением с помощью напряжения затвор-исток, когда затвор-исток плюс +12 В (больше, чем 6 В, обычно принимают от 12 В до 15 В) провод IGBT, напряжение затвора истока не подается или применяется отрицательное давление, IGBT отключен, цель отрицательного давления надежно отключена. Нет функции усиленного напряжения IGBT, включение можно увидеть как провод, а при отключении — как разомкнутая цепь.

IGBT выпрямитель проводит / изоляцию электричества:

IGBT имеет три клеммы, а именно: G, D, S, G и S концы подают напряжение, внутренний перенос электронов (характеристика полупроводникового материала, что является причиной использования полупроводникового материала. как силовой электронный переключатель), изначально соответствие положительных и отрицательных ионов, полупроводниковый материал в нейтральном положении, но приложенное напряжение, электроны под действием напряжения, накопление в одну сторону, образуя слой проводящего канала, поскольку электрон является электропроводным, становится дирижер.Если снять напряжение с обоих концов GS, этот слой проводящего канала исчезнет, ​​не будет проводить электричество и станет изолятором. Это проход выпрямителя IGBT.

Введение в IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)

Здравствуйте, друзья, надеюсь, у вас все отлично. В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим Введение в IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором). IGBT обозначает биполярный транзистор с изолированным затвором и представляет собой трехконтактные полупроводниковые компоненты, которые работают как переключатель.Он обеспечивает как высокую эффективность, так и высокую скорость переключения. В этом модуле есть 4 слоя PNPN, которые регулируются через металлооксидно-полупроводниковую структуру затвора при отсутствии процесса регенерации. IGBT — это новый силовой электронный компонент, изобретенный до создания этого модуля. Широко использовались полевые МОП-транзисторы и силовые биполярные переходные транзисторы.

Функции, предоставляемые IGBT, представляют собой комбинацию MOSFET и BJT. MOSFET обеспечивает высокоскоростное переключение с высоким импедансом, а BJT имеет большое значение усиления и меньшее насыщение.Эти комбинированные функции MOSFET и BJT являются выходами в IGBT. Символ IGBT представляет собой комбинацию символического представления MOSFET и BJT. В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим его работу, структуру, символическое представление и некоторые связанные параметры. Итак, давайте начнем с Введение в IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором).

Введение в IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)

• IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), который обеспечивает характеристики проводимости, такие как биполярный переходный транзистор, и управление напряжением, как у полевого МОП-транзистора.

• Используется в приложениях с высокой скоростью переключения. Есть три основных вывода затвора IGBT, коллектора и эмиттера.
• На рисунке ниже показано символическое представление IGBT.
• Вы можете видеть, что это похоже на символ BJT с дополнительной полосой, которая обозначает структуру затвора MOSFET, чем основание, как выше, мы обсуждали это сочетание MOSFET и BJT.
• Входные характеристики IGBT аналогичны MOSFET, а выходные — BJT. Биполярный переходный транзистор может проводить больший ток, чем полевой транзистор, но ток затвора для полевого МОП-транзистора отсутствует из-за изолированного затвора.
• Напряжение насыщения полевого МОП-транзистора меньше, чем у IGBT, и аналогично биполярному переходному транзистору.
• Биполярный транзистор с изолированным затвором имеет некоторое преимущество перед полевым МОП-транзистором в том, что он может нести большой коллектор-эмиттер с напряжением более двухсот вольт и имеет меньшее напряжение насыщения в рабочем состоянии.
• Точно так же IGBT имеет некоторые преимущества перед BJT, заключающиеся в высокой скорости переключения.
• Если сравнивать скорость переключения, то самая высокая скорость переключения — это MOSFET, второй IGBT и на третьем месте BJT.

Работа IGBT

• Подобно MOSFET, IGBT также управляется напряжением затвора.
• IGBT можно назвать управляемым напряжением BJT с меньшей скоростью переключения.
• Поскольку он регулируется напряжением на изолированном затворе, биполярный транзистор с изолированным затвором не имеет входного тока и не нагружает источник возбуждения.
• На рисунке ниже показана эквивалентная схема IGBT.

• В этой конфигурации вход MOSFET и выход BJT.
• Если напряжение на затворе меньше порогового напряжения ( _{В, порог} ) по отношению к эмиттеру, то он отключается.

• Включается при увеличении напряжения на затворе выше порогового.
• Конфигурация npnp IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) создает паразитный транзистор и внутреннее паразитное сопротивление внутри IGBT, как показано на рисунке ниже.
• Для нормальной работы эти паразитные компоненты не действуют.

• Если Qp включается, он эффективно объединяется с Q1, образуя паразитный элемент, как показано на рисунке выше, где существует состояние фиксации.
• В состоянии фиксации IGBT остается включенным и не может регулироваться напряжением затвора.
• Состояние фиксации можно уменьшить, эксплуатируя устройство в определенных ограниченных условиях.

Сравнение IGBT, MOSFET и BJT

• В приведенной ниже таблице показано соотношение между IGBT, BJT и MOSFET.

Разница между IGBT и BJT

• IGBT работает через напряжение затвора, а BJT через ток.
• Имеются три вывода эмиттера, коллектора и базы IGBT, выводы BJT — эмиттер, база и коллектор.
• Пропускная способность IGBT больше, чем у BJT.
• IGBT — это комбинация BJT и FET.

• Внутренняя структура IGBT сложнее, чем BJT.
• IGBT — это недавно созданное устройство, а BJT — более раннее.
• Оба компонента должны иметь меньшее значение потери напряжения при условии.
• Время задержки IGBT меньше, чем BJT.
• Возможности прямой и обратной блокировки IGBT хороши, чем BJT.
• В приложениях с большим напряжением и током IGBT можно легко регулировать.

Разница между IGBT и MOSFET

• Вот некоторые различия между IGBT и MOSFET.

IGBT

• IGBT обозначает биполярный транзистор с изолированным затвором.
• Имеет три вывода, эмиттерный затвор и коллектор.
• Это комбинация BJT и FET.
• Используется в средне- и сверхбольших энергоемких приложениях, таких как частотно-регулируемый привод.

МОП-транзистор

• MOSFET — это металлооксидный полевой транзистор.
• Это тип полевого транзистора, который в основном используется в цифровых и аналоговых приложениях.
• Это три терминальных модуля, которые представляют собой усиление стока и исток.
• Используется в схемах переключения и усилителя.

Преимущества IGBT

• Это некоторые преимущества IGBT.
• Это простая схема проста.
• Обеспечивает меньшее сопротивление.
• Обладает большим напряжением.
• Скорость переключения быстрая.
• Проста в обращении.
• У него меньше рассеиваемая мощность.
• Его входное сопротивление велико.
• Регулирует напряжение.
• Легко включается и выключается.

Недостаток IGBT

• Это некоторые недостатки IGBT.
• Он должен решить проблемы.
• Не сопротивляется высокому обратному напряжению.
• Имеет большое время выключения.
• Его цена большая.

Итак, друзья, это подробный пост о IGBT, если у вас есть какие-либо вопросы, спрашивайте в комментариях. Спасибо за прочтение. Хорошего дня.

Автор: Генри

http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях.Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Сообщение навигации

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

IGBT включается путем приложения положительного напряжения между затвором и эмиттером и выключается, делая сигнал затвора нулевым или слегка отрицательным.

IGBT имеет низкое падение напряжения в открытом состоянии и высокие характеристики напряжения в закрытом состоянии с превосходными характеристиками переключения, простой схемой управления затвором, возможностью пикового тока и высоким входным сопротивлением.

БТИЗ доступны с номинальными токами и напряжениями, значительно превышающими те, которые обычно доступны для силовых полевых МОП-транзисторов.

IGBT заменяют силовые MOSFET в высоковольтных приложениях, где потери проводимости должны быть низкими. IGBT имеет гораздо меньшее падение напряжения, чем MOSFET аналогичного номинала.

Скорость переключения IGBT выше, чем у BJT, но ниже, чем у MOSFET.

У IGBT нет второй проблемы с пробоем, поскольку его физическая структура аналогична силовым MOSFET.SOA похож на OSFET.

Характеристики IGBT

Характеристики i-v качественно похожи на характеристики логического уровня BJT, за исключением того, что управляющим параметром является входное напряжение.
Передаточная кривая i _c -v _GE идентична таковой для силового полевого МОП-транзистора, за исключением V _{GE (th)} и значений крутизны.

Структура IGBT

В целом IGBT можно разделить на конструкции с сквозным отверстием (PT) и без него (NPT).На рисунке ниже показана структура PT, а буферный слой n ⁺ обычно вводится между подложкой p ⁺ и эпитаксиальным слоем n ^—, так что вся дрейфовая область n ^— исчерпывается, когда устройство блокирует напряжение в закрытом состоянии, а форма электрического поля внутри области дрейфа n ^— близка к прямоугольной. Поскольку более короткая область n ^– может использоваться в сквозном IGBT, может быть достигнут лучший компромисс между прямым падением напряжения и временем выключения.PT IGBT доступны примерно до 1200 В.

Модель схемы IGBT и принцип работы

Работа аналогична работе полевого МОП-транзистора, за исключением сопротивления, обеспечиваемого верхней n областью, которое очень похоже во включенном состоянии.

Снижение сопротивления происходит из-за вдувания дырок из верхней зоны p ⁺ в зону n. Этот эффект называется модуляцией проводимости n-области.

R _RR — сопротивление растеканию в области кузова.

R _MOD — модулированное сопротивление за счет инжекции носителей из верхней зоны p ⁺ .

Ток канала (стока) полевого МОП-транзистора — это базовый ток pnp-транзистора.

Коллекторный ток pnp-транзистора — это базовый ток npn-транзистора.

Принцип работы IGBT

Если C положительна по отношению к E и если G положительна по отношению к E, превышающему пороговый уровень, создается n канал, ток течет через канал (D к S) полевого МОП-транзистора.

Ток, протекающий через канал, служит базовым током для pnp-транзистора, что вызывает протекание эмиттерного тока в этом транзисторе, что приводит к крупномасштабной инжекции дырок через верхний pn-переход — эти отверстия отвечают за модуляцию проводимости в середине. п зона.

Характеристики напряжения насыщения IGBT

R _на IGBT обычно в 10 раз меньше, чем у силового MOSFET того же размера и допустимого напряжения.Это связано с процессом модуляции проводимости в дрейфовой области.

Основной ток снова протекает через управляющий полевой МОП-транзистор из-за модуляции проводимости в дрейфовой области.

V _{CE (sat)} = V _J1 + V _дрейф + I _D R _канал

Где V _J1 ~ 0,7 — 1,0 В,

V _дрейф <мощности MOSFET, и I _D R _канал ~ канал мощного MOSFET

Обычно вместо сопротивления в открытом состоянии используется падение напряжения в открытом состоянии или при насыщении.

Даже в IGBT с той же структурой IGBT с высокой скоростью переключения имеет большее падение напряжения в открытом состоянии, и наоборот.

Напряжение в открытом состоянии мало меняется между комнатной температурой и максимальной температурой перехода. Это происходит из-за комбинации положительного температурного коэффициента секции MOSFET и отрицательного температурного коэффициента падения напряжения в дрейфовой области.

Безопасная рабочая область (SOA) IGBT

FBSOA определяет максимальную область V-I , в которой устройству можно дать команду на работу с одновременным высоким напряжением и током.Ток устройства можно контролировать через его затвор (или основание), а продолжительность операции ограничивается только его тепловым ограничением. Устройства с FBSOA обычно имеют активную область, в которой ток устройства определяется уровнем управляющего сигнала. Пример IGBT….

Зона безопасной работы (SOA) IGBT с прямым смещением

SOA

1. FBSOA идентичен силовому полевому МОП-транзистору.

2. RBSOA (для выключения) отличается от FBSOA. Повторное применение dv _CE / dt ограничено, чтобы избежать фиксации IGBT (или фиксации паразитного тиристора). Но значения достаточно большие, и их можно легко контролировать с помощью ворот. Если происходит фиксация, его необходимо быстро отключить, иначе IGBT будет разрушен.

3. Допустимая максимальная температура T _{Дж (макс.)} составляет 150 ° C.

4. Максимальный ток коллектора может в 4-10 раз превышать нормальный номинальный ток в течение 5-10 мкс в зависимости от значения V _CE .

Коммерческие индивидуальные IGBT и модули IGBT

1. Имеющиеся в продаже отдельные IGBT имеют номинальный ток до 200-400 А и номинальное напряжение до 1700 В. прогнозируется номинальное напряжение до 2-3кВ. (Номинальное напряжение IGBT выше, чем у BJT из-за небольшого усиления тока pnp BJT.)

2. Для устройства на 1 кВ напряжение в открытом состоянии составляет 2-3 В при номинальном токе.

3. Время включения и выключения составляет менее 1 мкс.

4. БТИЗ доступны в модулях, в которых от 4 до 6 отдельных БТИЗ соединены параллельно. Следовательно, номинальный ток находится в диапазоне от 1000 до 1500 А.

Типовая схема привода затвора для модулей IGBT

Характеристики IGBT: сравнение

Характеристики IGBT в сравнении с BJT, MOSFET с аналогичными размерами и номиналами.

Характеристики	BJT	МОП-транзистор	IGBT
Метод привода	Текущий	Напряжение	Напряжение
Цепь привода	Комплекс	Простой	Простой
Входное сопротивление	Низкий	Высокая	Высокая
Мощность привода	Высокая	Низкий	Низкий
Скорость переключения	Медленно (мкс)	Быстро (нс)	Средний
Рабочая частота	Низкий (<100 кГц)	Быстро (<1 МГц)	Средний
SOA	Узкий	Широкий	Широкий
Напряжение насыщения	Низкий	Высокая	Низкий

предыдущий Силовые МОП-транзисторы

следующий Тиристоры с МОП-управлением (MCT)

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Существует множество типов силовых полупроводниковых переключателей, среди которых биполярный транзистор с изолированным затвором (1GBT), который сочетает в себе некоторые особенности BJT , полевой МОП-транзистор и тиристор.На рисунке ниже показаны два разных символа для него. Его выводы называются затвором, коллектором и эмиттером. В другой версии они обозначены как затвор, сток и исток.

Обозначения биполярного транзистора с изолированным затвором

БТИЗ обладает следующими свойствами:

1. Он имеет затвор с высоким импедансом, как и в случае полевого МОП-транзистора.
2. IGBT обладает низким напряжением в открытом состоянии, как и в случае s BJT.
3. Может блокировать отрицательные напряжения, как в случае с GTO.

В случае IGBT приводы затвора просты и имеют высокую скорость переключения. Он имеет возможность интеграции силовой цепи и работу без демпфера. Обычно он используется для приводов двигателей переменного тока, систем ИБП, импульсных источников питания (SMPS), устройство 600 В, 50 А имеет падение напряжения во включенном состоянии только 3,2 В.

Базовая структура биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT)

Базовая структура IGBT показана на рисунке (a), как показано ниже. Его структура аналогична структуре вертикальной DMOS-структуры полевого МОП-транзистора, но с той лишь разницей, что в IGBT используется подложка pn, тогда как в полевом МОП-транзисторе — nn (из вертикального поперечного сечения видно, что коллектор C является также называется стоком IGBT).

IGBT

Эквивалентная схема для IGBT показана на рисунке (b) выше. Коллекторный вывод еще называют стоком. На рисунке (b) показана нежелательная и неизбежная работа конструкции в условиях, когда затвор не контролирует ток коллектора, условие фиксации будет сформировано паразитным тиристором, только метод принудительной коммутации используется для отключения IGBT в соответствии с указанным выше. условия. Есть больше изменений в результате разрушения IGBT из-за чрезмерного рассеивания мощности в случае, если состояние фиксации не завершается за короткий период времени.Для уменьшения защелкивания коэффициент усиления контура α _pnp + α _npn должен быть меньше единицы. Это условие может быть достигнуто путем создания буфера n и контроля срока службы для уменьшения усиления α, _pnp, и усиления α _npn, путем создания соответствующих относительных уровней легирования, а также короткого замыкания эмиттера (R _DS ).

Характеристики IGBT (статические характеристики V-I)

Статические характеристики V-I IGBT показаны на рисунке (b) ниже, когда он питается от источников, показанных на рисунке (a) ниже, которые аналогичны источнику питания MOSFET.Если не считать подложки p +, поперечное сечение кремния IGBT практически идентично силовому MOSFET.

Поведение IGBT ближе к BJT, чем к силовому MOST FT, потому что в прямом направлении его характеристики напоминают биполярный переходной транзистор и, более того, из-за наличия p + подложки, которая формирует PN-переход ( p + подложка и n- дрейф). Следовательно, это устройство, управляемое напряжением, которое управляется входным напряжением VGE, а не током затвора (IG).Из рисунка (b) видно, что соотношение между I _C и V _GE является линейным, т. Е. Прямолинейным, но диапазон наименьших значений V _GE и I _C не является линейным. . Характеристики

IGBT

Зона безопасной работы (SOA) IGBT

IGBT безопасно эксплуатируется во время периодов переключения. Есть две области безопасной эксплуатации IGBT. Это FBSOA (зона безопасной работы с прямым смещением) и RBSOA (зона безопасной работы с обратным смещением) .Но эти RBSOA не используются в IGBT, потому что обратное смещение не выполняется в IGBT.

Безопасная рабочая зона (SOA) IGBT описывает его способность одновременно выдерживать высокие уровни напряжения и тока. Как и в других устройствах с неосновными носителями, неравномерное распределение тока может иметь место внутри кристалла за пределами безопасного предела. Это может вызвать сбой устройства. Безопасная рабочая зона (SOA) IGBT аналогична силовому MOSFET. Согласно положительной и отрицательной скорости изменения тока ( di / dt ), SOA с прямым смещением (FBSOA) и SOA с обратным смещением (RBSOA) определяются соответственно.

Таким образом, FBSOA относится к переходному процессу включения при переключении индуктивной нагрузки, а RBSOA относится к переходному процессу выключения. Следует отметить, что прямоугольный SOA или SOA с демпфирующей коммутацией (SSSOA) дает только абсолютный максимальный ток и номинальное напряжение устройства, как показано на рисунке (a) ниже. Однако во время выключения. VCE превышает напряжение питания постоянного тока (VDC) из-за индуктивности контура постоянного тока ( В, _L = Ldi / dt ). Точно так же во время включения ток коллектора превышает выходной ток (I ₀ ) из-за обратного восстановления тока диода.

Различные SOA IGBT

Однако в случае переключения IGBT с демпфирующей схемой напряжения и токи напряжения значительно снижаются, как показано на рисунке (b) выше. Аналогичным образом, в случае переключения при нулевом напряжении (ZVS) / при переключении при нулевом токе (ZCS) устройства эти напряжения дополнительно уменьшаются. Следовательно, проектировщик должен знать наихудшие варианты динамических коммутационных линий нагрузки без демпфирующей цепи и с демпфирующей цепью. Линия нагрузки динамического переключения должна соответствовать SOA.Более того, эффективный SOA или RBSOA становится широким для более высокой частоты, как показано на рисунке (c) выше, а край является условно определенным, то есть частотно-зависимым переключением SOA.

Применение биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT)

IGBT широко используются в приложениях средней мощности, таких как приводы двигателей постоянного и переменного тока, системы ИБП, источники питания и приводы для соленоидов, реле и подрядчиков. Хотя IGBT несколько дороже, чем BJT, они становятся популярными из-за более низких требований к приводу затвора, меньших коммутационных потерь и меньших требований к демпфирующей цепи.