Биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ) (английская аббревиатура IGBT- Isolated Gate Bipolar Transistor) называются полупроводниковые приборы, у которых на входе находится полевой транзистору а на выходе - биполярный.

Одно из таких сочетаний показано на рис. 7.4. Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора Е (эмиттер) и С (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор).

Таким образом, БТИЗ имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии.

Рис. 7.4. Один из вариантов токовой нагрузкой и малым сопротивлением во структуры БТИЗ включенном состоянии.

Схематичный разрез структуры БТИЗ показан на рис. 7.5. Биполярный транзистор (рис. 7.5, а) образован слоями p+ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой - слоями n (исток), n+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления.

На рис. 7.5, б изображена структура IGBT IV поколения, выполненного по технологии "утопленного" канала (trench-gate technology), позволяющей исключить сопротивление между p-базами и уменьшить размеры прибора в несколько раз.

Рис. 7.5. Структуры БТИЗ: а - структура стандартного транзистора; б- структура транзистора, созданного по технологии trench gate

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа:

• этап 1 - после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n-канал между истоком и стоком);
• этап 2 - движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору.

Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного. Для IGBT с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В в полностью включенном состоянии прямое падение напряжения, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5-3,5 В.

Это значительно меньше, чем характерное падение напряжения на силовых MOSFET в проводящем состоянии с такими же номинальными напряжениями.

С другой стороны, MOSFET с номинальными напряжениями 200 В и меньше имеют более низкое значение напряжения во включенном состоянии, чем IGBT, и остаются непревзойденными в этом отношении в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 50 А.

По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значительно превосходят биполярные. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2-0,4 и 0,2-1,5 мкс, соответственно.

Область безопасной работы IGBT позволяет успешно обеспечить его надежную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотен ампер. Такими качествами не обладают биполярные транзисторы, соединенные по схеме Дарлингтона.

Так же как и дискретные, MOSFET вытеснили биполярные в ключевых источниках питания с напряжением до 500 В, так и дискретные IGBT делают то же самое в источниках с более высокими напряжениями (до 3500 В).

БТИЗ-модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой:

• единичный БТИЗ;
• двойной модуль (half-bridge), где два БТИЗ соединены последовательно (полумост);
• прерыватель (chopper), в котором единичный БТИЗ последовательно соединен с диодом;
• однофазный или трехфазный мост.

Рис. 7.6. Схемы БТИЗ модулей: a - единичный БТИЗ; б - двойной модуль; в - коллекторный прерыватель (чоппер); г - эмиттерный прерыватель (чоппер)

Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит параллельно каждому IGBT встроенный обратный диод. Наиболее распространенные схемы соединений IGBT-модулей приведены на рис. 7.6.

Основное различие между дискретными приборами и сильноточными модулями заключается в способе электрической связи их с другими элементами схемы. Дискретные компоненты соединяются с элементами схемы на печатной плате посредством пайки.

Максимальное значение токов в контактных соединениях печатной платы обычно не превышает 100 А в установившихся режимах работы. Это накладывает естественные ограничения на число параллельно соединяемых компонентов. С другой стороны, сильноточные модули имеют выводы под винтовые зажимы. Поэтому они могут соединяться с кабельными наконечниками или непосредственно с токопроводящими шинами. Сильноточные модули также могут напрямую соединятся с печатной платой через сквозные отверстия.

Модули выполняются в трех вариантах:

• по одноключевой схеме (серия МДТКИ);
• по двухключевой схеме (М2ТКИ);
• по схеме прерывателя тока, чоппера (серия МТКИД).

Транзисторы шунтируются диодами обратного тока, в качестве которых используются супербыстровосстанавливающиеся диоды с "мягким" восстановлением (FRD диоды).

Автор: Корякин-Черняк С.Л.