IGBT транзистори

Биполярни транзистори с изолирана порта са нов тип активни устройства, които се появиха сравнително наскоро. Неговите входни характеристики са подобни на входните характеристики на полеви транзистор, а изходните характеристики са подобни на изходните характеристики на биполярен.

В литературата това устройство се нарича IGBT (биполярен транзистор с изолирана порта)… Що се отнася до скоростта, те значително превъзхожда биполярни транзистори… Най -често IGBT транзисторите се използват като мощни превключватели, при които времето за включване е 0,2 — 0,4 μs, а времето за изключване е 0,2 — 1,5 μs, превключените напрежения достигат 3,5 kV, а токовете са 1200 A.

IGBT-Tтранзисторите изместват тиристорите от вериги за преобразуване на високо напрежение и правят възможно създаването на импулсни вторични захранвания с качествено по-добри характеристики. IGBT-Tтранзисторите се използват широко в инвертори за управление на електродвигатели, в мощни системи за непрекъснато захранване с напрежения над 1 kV и токове от стотици ампера. До известна степен това се дължи на факта, че при включено състояние при токове от стотици ампери, спадът на напрежението върху транзистора е в диапазона от 1,5 — 3,5V.

Както се вижда от структурата на IGBT-транзистора (фиг. 1), това е доста сложно устройство, при което pn-p транзистор се управлява от n-канален MOS транзистор.

Ориз. 1. Структура на IGBT транзистор

Колекторът на IGBT транзистора (фиг. 2, а) е емитер на транзистора VT4. Когато към портата се приложи положително напрежение, транзисторът VT1 има електропроводим канал. Чрез него излъчвателят на IGBT транзистора (колекторът на VT4 транзистора) е свързан към основата на VT4 транзистора.

Това води до факта, че той е напълно отключен и спадът на напрежението между колектора на IGBT транзистора и неговия емитер става равен на спада на напрежението в емитерния преход на VT4 транзистора, сумиран с спада на напрежението Usi през VT1 транзистора .

Поради факта, че спадът на напрежението в p — n прехода намалява с повишаване на температурата, спадът на напрежението в отключен IGBT транзистор в определен токов диапазон има отрицателен температурен коефициент, който става положителен при висок ток. Следователно спадът на напрежението в IGBT не пада под праговото напрежение на диода (VT4 излъчвател).

Ориз. 2. Еквивалентна схема на IGBT транзистор (а) и неговия символ в родната (б) и чуждестранната (в) литература

С увеличаване на напрежението, приложено към IGBT транзистора, токът на канала се увеличава, което определя базовия ток на VT4 транзистора, докато спадът на напрежението в IGBT транзистора намалява.

Когато транзисторът VT1 е заключен, токът на транзистора VT4 става малък, което прави възможно да се счита за заключен. Въвеждат се допълнителни слоеве, за да се изключат типичните за тиристорите режими на работа, когато възникне лавинен срив. Буферният слой n + и широката базова област n– осигуряват намаляване на усилването на тока на p — n — p транзистора.

Общата картина на включване и изключване е доста сложна, тъй като има промени в подвижността на носителите на заряд, текущите коефициенти на пренос в p — n — p и n — p — n транзисторите, налични в структурата, промени в съпротивленията на регионите и др. Въпреки че по принцип IGBT транзисторите могат да се използват за работа в линеен режим, докато те се използват главно в ключов режим.

В този случай промените в напреженията на превключвателя се характеризират с кривите, показани на фиг.

Ориз. 3. Промяна в спада на напрежението Uke и тока Ic на IGBT транзистора

Ориз. 4.Еквивалентна схема на транзистор от тип IGBT (а) и неговите характеристики на токово напрежение (б)

Проучванията показват, че за повечето IGBT транзистори времето за включване и изключване не надвишава 0,5 — 1,0 μs. За да се намали броят на допълнителните външни компоненти, в IGBT транзисторите се въвеждат диоди или се произвеждат модули, състоящи се от няколко компонента (фиг. 5, а — г).

Ориз. 5. Символи на модули на IGBT -транзистори: а — MTKID; б — MTKI; в — M2TKI; d — MDTKI

Символите на IGBT транзисторите включват: буква М — безпотенциален модул (основата е изолирана); 2 — броят на ключовете; букви TCI — биполярни с изолиран капак; DTKI — диоден / биполярен транзистор с изолирана порта; TCID — биполярен транзистор / диод с изолирана порта; числа: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — максимален ток; цифри: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — максималното напрежение между колектора и излъчвателя Uke (* 100V). Например, модулът MTKID-75-17 има UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.

Доктор на техническите науки, професор Л.А.Потапов