Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Биполярный транзистор с изолированным затвором обозначен зарубежной аббревиатурой как электронный IGBT прибор. Этот электронный прибор представляет конструкцию, сочетающую обычный биполярный переходной триод BJT с полевым триодом MOSFET. Такое исполнение видится идеальным для создания полупроводникового коммутационного устройства.

Биполярный триод с изолированным затвором — характеристика

Схематично IGBT конструкция сочетает лучшие свойства двух типов традиционно применяемых транзисторов. Этими свойствами, в частности, отмечены:

  1. Высокий входной импеданс.
  2. Высокая скорость переключения.

Здесь удачно сочетаются высокие скоростные характеристики переключения MOSFET схемы и малое напряжение насыщения биполярного триода. В результате получается ещё один тип транзисторного коммутационного устройства, способного функционировать в условиях высоких токов перехода коллектор-эмиттер и практически с нулевым током затвора.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) сочетает конструктивно технологию изолированного затвора MOSFET схемы с выходными характеристиками обычной биполярной схемы.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) + схема
Схема на Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Результатом этой гибридной комбинации является конструкция IGBT, обладающая выходными характеристиками переключения и проводимости биполярного триода, но управляется напряжением подобно MOSFET триоду.

Приборы IGBT в основном предназначены для схем силовой электроники, например:

  • инверторы,
  • преобразователи частоты,
  • импульсные источники питания,

где требования к полупроводниковым переключающим устройствам не удовлетворяются полностью силовыми биполярными и MOSFET приборами. В принципе, на рынке доступны сильноточные и высоковольтные устройства такого рода. Однако скорость переключения тут низкая, в то время как силовые полевые приборы демонстрируют высокоскоростной режим переключения.

Преимущества биполярного транзистора с изолированным затвором в сравнении с обычным или полевым прибором MOSFET очевидны. Выражаются преимущества обеспечением явно большего коэффициента усиления по мощности, чем даёт стандартный триод биполярного типа, в сочетании с более высоким рабочим напряжением и меньшими входными потерями триода полевого типа.

По сути, имеет место связка полевого и биполярного транзисторов в конфигурации типа Дарлингтона, как показано на картинке выше.

Биполярный транзистор с изолированным затвором особенности

Схематично биполярный триод с изолированным затвором представляет устройство на три полюса с высокой передаточной крутизной. Система сочетает вход N-канального MOSFET транзистора с изолированным затвором и выход биполярного транзистора PNP, подключенного по схеме Дарлингтона. Есть три контакта схемы:

  • коллектор (К),
  • эмиттер (Э),
  • затвор (З).

Два контакта (коллектор и эмиттер) связаны с проводящим путём, по которому проходит ток, тогда как через третий контакт (затвор) осуществляется управление прохождением тока.

Величина усиления, достигаемая биполярным прибором с изолированным затвором, определяется отношением между выходным и входным сигналом. Для обычного транзистора с биполярным переходом (BJT) коэффициент усиления примерно равен отношению выходного тока к входному току.

Для полевого транзистора на основе оксида металла и полупроводника или полевого MOSFET устройства входной ток отсутствует, поскольку затвор изолирован от основного несущего ток канала. Следовательно, коэффициент усиления полевого транзистора равен отношению изменения выходного тока к изменению входного напряжения.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) + конструкция
Конструкция IGBT: 1 — термопаста; 2 — опорная плита припоя; 3 — крепление кристалла; 4 — полупроводниковый чип; 5 — перемычка; 6 — субстрат; 7 — медная металлизация; 8 — опорная плата; 9 — радиатор

Налицо устройство с высокой крутизной. То есть IGBT прибор следует рассматривать как мощный BJT прибор, базовый ток которого обеспечивается схемой MOSFET. Биполярный транзистор с изолированным затвором допустимо использовать в схемах усилителей малых сигналов аналогично триодам типа BJT или MOSFET.

Но поскольку IGBT сочетает конструктивно низкие потери проводимости BJT с высокой скоростью переключения мощного MOSFET, существует оптимальный твердотельный переключатель, который идеально подходит для использования в схемах силовой электроники.

Кроме всего прочего, прибор IGBT имеет гораздо более низкое сопротивление в открытом состоянии, чем эквивалентный MOSFET прибор. Это означает, что падение I2R на биполярной выходной структуре для заданного тока переключения существенно меньше. Операция прямой блокировки IGBT идентична силовому устройству MOSFET.

Примечательные свойства IGBT прибора

Поскольку IGBT прибор является устройством, управляемым напряжением, здесь требуется лишь небольшое напряжение на затворе для поддержания проводимости через канал. Те же обычные транзисторы требуют непрерывной подачи базового тока в количестве, достаточном для поддержания насыщения.

Кроме того, IGBT прибор является однонаправленным устройством, то есть способен переключать ток только в «прямом направлении» от коллектора к эмиттеру. Традиционный MOSFET триод, как известно, обладает возможностями двунаправленного переключения тока (управляемое переключение в прямом направлении и неуправляемое в обратном направлении).

Принцип работы и схемы управления транзистора с изолированным затвором напоминают схемы N-канального силового полевого MOSFET устройства. Основное отличие заключается в том, что сопротивление проводящего канала IGBT прибора намного меньше. По этой причине номинальные токи намного выше по сравнению с MOSFET приборами эквивалентной мощности.

 

Главными преимуществами применения транзистора с изолированным затвором по сравнению с другими типами такого рода устройств являются:

  • способность работать с высоким напряжением,
  • низкое сопротивление в открытом состоянии,
  • простота управления,
  • относительно высокая скорость переключения.

В сочетании с нулевым током управления затвором эти свойства делают прибор хорошим выбором, например, для работы в схемах широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Также актуальным видится применение под управление переменной скоростью, в импульсных источниках питания или инверторах постоянного и переменного тока.


При помощи информации: Toshiba