IGBT

Рис.1. Електронний символ IGBT.

IGBT - біполярний транзистор із ізольованим затвором ( англ. Insulated-gate bipolar transistor - трьохелектродний силовий напівпровідниковий прилад, що поєднує два транзистора в одній напівпровідникової структурі: біполярний (утворює силовий канал) і польовий (утворює канал управління). Використовується, в основному, як потужний електронний ключ в імпульсних джерелах живлення, інверторах, в системах управління електричними приводами. Схематичне зображення такого транзистора зображено на рисунку 1.

Каскадне включення транзисторів двох різних типів (рисунок 2) дозволяє поєднувати їх переваги в одному приладі: вихідні характеристики біполярного (велика допустима робоча напруга і опір відкритого каналу пропорційно струму, а не квадрату струму, як у польових) і вхідні характеристики польового (мінімальні витрати на управління). Керуючий електрод називається затвором, як у польового транзистора, два інших електрода - емітером і колектором, як у біполярного. У деяких випадках транзистори даного типу доцільно встановлювати на зварювальні інвертори. Там вони замінюють звичайні польові аналоги (MOSFET-транзистори). Також використовуються у джерелах живлення.

Рис.2. Каскадне ввімкнення 2 транзисторів(IGBT)

Історія виникнення

До 1990-х років в якості силових напівпровідникових приладів, крім тиристорів, використовувалися біполярні транзистори. Їх ефективність була обмежена кількома недоліками:

  • необхідність великого струму бази для включення;
  • наявність струмового «хвоста» при замиканні, оскільки струм колектора не спадає миттєво після зняття струму управління - з'являється опір в ланцюзі колектора, і транзистор нагрівається;
  • залежність параметрів від температури.
    Рис.3. IGBT модуль для напруги до 900 В та сили струму до 30 А.
    Напруга насичення ланцюга колектор-емітер також обмежує мінімальну робочу напругу.

З появою польових транзисторів, виконаних за технологією МОН (англ. MOSFET), ситуація змінилася. На відміну від біполярних, польові транзистори: мають такі характеристики:

  • керовані не струмом, а напругою;
  • їх параметри не так сильно залежать від температури;
  • їх робоча напруга теоретично не має нижньої межі завдяки використанню багатокоміркових НВІС;
  • мають низький опір каналу (менше міліома);
  • можуть працювати в широкому діапазоні струмів (від міліампер до сотень ампер);
  • мають високу частоту перемикання (сотні кілогерц і більше);

Польові МОН-транзистори (метал-оксид-напів-провідник) легко керуються, що властиво транзисторам із ізольованим затвором, і мають вбудований діод витоку для обмеження випадкових викидів струму. Типові застосування цих транзисторів - різноманітні імпульсні перетворювачі напруги з високими робочими частотами, і навіть аудіо-підсилювачі (так званого класу D).

Перший промисловий зразок біполярного транзистора із ізольованим затвором (БТІЗ) був запатентований International Rectifier в 1983 році. Пізніше, в 1985 році, був розроблений біполярний транзистор з ізольованим затвором (БТІЗ) з повністю плоскою структурою (без V-каналу) і більш високими робочими напругами. Його структуру показано на рисунку 4. Це сталося майже одночасно в лабораторіях фірм General Electric в місті Скенектаді (штат Нью-Йорк) і в RCA в Прінстоні (Нью-Джерсі). Спочатку пристрій називали COMFET, GEMFET або IGFET. Потім прийняли сучасну назву IGBT. Перші БТІЗ не набули поширення через такі недоліки як - повільне перемикання і низька надійність. Друге (1990-ті роки) і третє (сучасне) покоління БТІЗ в цілому позбулися цих вад.

БТІЗ поєднує переваги двох основних видів транзисторів:

  • високий вхідний опір, низький рівень керуючої потужності - від польових транзисторів з ізольованим затвором;
  • низьке значення залишкової напруги у включеному стані - від біполярних транзисторів;
  • малі втрати у відкритому стані при великих токах і високих напружених;
  • характеристики перемикання і провідність біполярного транзистора;
  • управління як у МОН - напругою.

Діапазон використання електричних параметрів таких транзисторів - від десятків до 1200 ампер за струмом, від сотень вольт до 10 кВ за напругою. В діапазоні струмів до десятків ампер і напруг до 500 В доцільно застосовувати звичайні МОП (МДН) транзистори, а не БТІЗ, так як при низькій напрузі польові транзистори мають менший опір.

інші мови