Tranzystory IGBT
Tranzystory bipolarne z izolowaną bramką to nowy typ urządzeń aktywnych, który pojawił się stosunkowo niedawno. Jego charakterystyka wejściowa jest podobna do charakterystyki wejściowej tranzystora polowego, a charakterystyka wyjściowa jest podobna do charakterystyki wyjściowej bipolarnego.
W literaturze to urządzenie nazywa się IGBT (tranzystor bipolarny z izolowaną bramką)... Pod względem szybkości jest znacznie lepszy tranzystory bipolarne... Najczęściej tranzystory IGBT są używane jako przełączniki mocy, gdzie czas włączenia wynosi 0,2 — 0,4 μs, a czas wyłączenia 0,2 — 1,5 μs, przełączane napięcia osiągają 3,5 kV, a prądy 1200 A .
Tranzystory IGBT-T zastępują tyrystory z obwodów przetwarzania wysokiego napięcia i umożliwiają tworzenie impulsowych zasilaczy wtórnych o jakościowo lepszych parametrach. Tranzystory IGBT-T są szeroko stosowane w falownikach do sterowania silnikami elektrycznymi, w systemach zasilania ciągłego dużej mocy o napięciach powyżej 1 kV i prądach setek amperów.W pewnym stopniu wynika to z faktu, że w stanie włączonym przy prądach setek amperów spadek napięcia na tranzystorze mieści się w zakresie 1,5 - 3,5 V.
Jak widać ze struktury tranzystora IGBT (rys. 1), jest to dość skomplikowane urządzenie, w którym tranzystor pn-p jest sterowany przez n-kanałowy tranzystor MOS.
Kolektor tranzystora IGBT (ryc. 2, a) jest emiterem tranzystora VT4. Gdy do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie, tranzystor VT1 ma kanał przewodzący elektrycznie. Za jego pośrednictwem emiter tranzystora IGBT (kolektor tranzystora VT4) jest podłączony do podstawy tranzystora VT4.
Prowadzi to do tego, że jest on całkowicie odblokowany, a spadek napięcia między kolektorem tranzystora IGBT a jego emiterem staje się równy spadkowi napięcia na złączu emiterowym tranzystora VT4, zsumowanemu ze spadkiem napięcia Usi na tranzystorze VT1.
Ze względu na fakt, że spadek napięcia na złączu p — n maleje wraz ze wzrostem temperatury, spadek napięcia w odblokowanym tranzystorze IGBT w pewnym zakresie prądu ma ujemny współczynnik temperaturowy, który staje się dodatni przy wysokim prądzie. Dlatego spadek napięcia na IGBT nie spada poniżej napięcia progowego diody (emiter VT4).
Ryż. 2. Schemat zastępczy tranzystora IGBT (a) i jego symbol w literaturze rodzimej (b) i zagranicznej (c)
Wraz ze wzrostem napięcia przyłożonego do tranzystora IGBT wzrasta prąd kanału, który określa prąd bazowy tranzystora VT4, podczas gdy spadek napięcia na tranzystorze IGBT maleje.
Kiedy tranzystor VT1 jest zablokowany, prąd tranzystora VT4 staje się mały, co pozwala uznać go za zablokowany. Wprowadzono dodatkowe warstwy w celu wyłączenia typowych dla tyrystorów trybów pracy w przypadku awarii lawinowej. Warstwa buforowa n + i obszar szerokobazowy n– zapewniają zmniejszenie wzmocnienia prądowego tranzystora p — n — p.
Ogólny obraz włączania i wyłączania jest dość złożony, ponieważ zachodzą zmiany ruchliwości nośników ładunku, współczynniki przenoszenia prądu w tranzystorach p — n — p i n — p — n obecnych w strukturze, zmiany rezystancji regiony itp. Chociaż w zasadzie tranzystory IGBT mogą być używane do pracy w trybie liniowym, podczas gdy są używane głównie w trybie klucza.
W tym przypadku zmiany napięć przełączników charakteryzują się krzywymi pokazanymi na rys.
Ryż. 3. Zmiana spadku napięcia Uke i prądu Ic tranzystora IGBT
Ryż. 4. Schemat zastępczy tranzystora typu IGBT (a) i jego charakterystyka prądowo-napięciowa (b)
Badania wykazały, że dla większości tranzystorów IGBT czasy włączania i wyłączania nie przekraczają 0,5 — 1,0 μs. Aby zmniejszyć liczbę dodatkowych elementów zewnętrznych, do tranzystorów IGBT wprowadza się diody lub wytwarza się moduły składające się z kilku elementów (ryc. 5, a — d).
Ryż. 5. Symbole modułów tranzystorów IGBT: a — MTKID; b — MTKI; c — M2TKI; d — MDTKI
Symbole tranzystorów IGBT to: litera M — moduł bezpotencjałowy (podstawa jest izolowana); 2 — liczba kluczy; litery TCI — bipolarne z izolowaną osłoną; DTKI — Dioda / Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką; TCID — tranzystor bipolarny / dioda z izolowaną bramką; liczby: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — prąd maksymalny; liczby: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — maksymalne napięcie między kolektorem a emiterem Uke (*100V). Przykładowo moduł MTKID-75-17 ma UKE = 1700 V, I = 2*75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Doktor nauk technicznych, profesor L.A. Potapov