РАДИОкомпоненты

IGBT-транзистор

ПРОЛОГ
Недавно потребовался мне MOSFET-транзистор. В процессе поиска обнаружилась пара транзисторов с несколько странным, на мой взгляд, обозначением:

Как и многи прочие, они у меня БУшные. В моей базе они были помечены как MOSFET’ы, но я решил уточнить и не зря! Оказалось, что они – IGBT-транзисторы! Для меня это была приятная неожиданность.

ЧТО ЭТО – уточнение
Пошуршал по Интернету. Нашёл, например, на сайтеhttp://paratran.com/2paratranIGBT.php?tr=329629
начало цитаты:
Биполярный транзистор GT15Q101 с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT):

Основные параметры транзистора GT15Q101:
Полярность: N-Channel


Pcmax

Ucemax

Ucesat

Ucgmax

Uegmax

Icmax

Tjmax, °C

Fr (Ton/of)

Cctip

150W

1200V

4V

-

-

15A

150°C

0.50µS

-

Производитель: TOSHIBA
Сфера применения: Second-Generation IGBT
Общий вид транзистора GT15Q101:

Цоколевка транзистора GT15Q101:

Корпус: TOP3
конец цитаты.

Если я правильно понял, в этом корпусе находятся ТРИ параллельных транзистора, отсюда и цена от 1400 до немногим более 1700 р. за ШТУКУ, в смысле за ОДИН корпус, например:

Отчего и было моё приятное удивление. Я бы не стал покупать такой транзистор.
Об IGBT-транзисторах я упоминал в статье «MOSFET-транзистор». Теперь хочу (для себя) разобраться с ними немного подробнее. Поиск информации в сети даёт (во многом похожие по содержанию) результаты, из которых следует, что:

1. это сравнительно «молодые» полупроводниковые приборы – первые промышленные образцы появились в первой половине 80-х ХХ века;
2. они являются (как бы) гибридом (результатом «скрещивания») MOSFET’а и биполярного транзисторов;
3. они позволяют управлять большими токами и напряжениями (до 3,5 кВ при токах до 1200 А) с помощью маломощного сигнала;
4. они являются весьма быстродействующими приборами: время включения порядка 0,1 мкс, выключения – 0,1-1мкс;
5. они используются вразличного рода импульсных устройствах;
6. они не нашли (наверное – пока) широкого применения в любительских конструкциях.

Считаю, что моя подборка статей о радиокомпонентах без IGBT-транзисторов является, в некотором смысле, неполной, я предлагаю свою версию. Я не измышляю материал из головы и не высасываю его из пальца, а использую различные Интернет-источники.Анализирую, сравниваю. Разумеется, в разных статьях вы легко сможете найти то, о чём я поведаю далее. Но разные статьи из первоисточников или слишком заумны, или, наоборот, примитивны, или содержат такие ошибки, неточности, ляпсусы, что это даже непрофессионалу бросается в глаза, или слишком убоги и коротки, а потому вызывают кучу вопросов. Данная статья не претендует на какую-то особую научную ценность, она – результат анализа и синтеза.  А я не учёный, я – просто учитель. Но я постоянно учусь сам.

ИСТОРИЯ
Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР в НИИ «Пульсар» в 1973 году, а их ключевые свойства исследованы в Смоленском филиале МЭИ. В рамках этих работ в 1977 году были предложены составные транзисторы, в которых с управлением мощным биполярным транзистором осуществлялось с помощью полевого транзистора с изолированным затвором. Было показано, что выходные токи и напряжения этих составных структур определяются биполярным транзистором, а входные — полевым. Было доказано, что биполярный транзистор в ключе на основе составного транзистора не насыщается, что резко уменьшает задержку при выключении ключа, были показаны достоинства таких транзисторов в роли силовых ключей. На «полупроводниковый прибор, выполненный в виде единой структуры, содержащей мощный биполярный транзистор, на поверхности которого создан полевой транзистор с V-образным изолированным затвором», названый «побистором», получено авторское свидетельство СССР № 75705.
Позднее появилась русская аббревиатура – БТИЗ – биполярный транзистор с изолированным затвором.
Первый промышленный образец БТИЗ был запатентован International Rectifier в 1983 году. Позднее, в 1985 году, был разработан БТИЗ с полностью плоской структурой (без V-канала). При высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения, как у полевого. Это произошло почти одновременно в лабораториях фирм «GeneralElectric» в городе Скенектади (штат Нью-Йорк) и в «RCA» в Принстоне (штат Нью-Джерси). Первоначально устройство называли COMFET, GEMFET или IGFET. На рубеже ХХIвека приняли название IGBT.
Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались. Второе поколение увидело свет в 90-х годах ХХ века, а третье поколение выпускается по настоящее время. В них устранены недостатки, они имеют высокое сопротивление на входе, управляющая мощность отличается низким уровнем, а во включенном состоянии остаточное напряжение также имеет низкие показатели.

СТРУКТУРА в сравнении
MOSFET в качестве силового транзисторного ключа (СТК) обладают многими привлекательными свойствами: быстрота переключения, сравнительно большой пиковый ток, простота управления, широкаяобласть безопасной работы (ОБР), стойкость к лавинному пробою и быстрому нарастанию напряжения на приборе. Эти преимущества, присущие приборам на основных носителях, несколько обесцениваются их посредственными характеристиками в проводящем состоянии, которые, к тому же, сильно ухудшаются при увеличении класса СТК по блокируемому напряжению, а также — с ростом температуры кристалла. Еще одним недостатком MOSFET являются плохие характеристики обратного восстановления паразитного диода, встроенного в его структуру, что может быть критично в тех схемах применения и режимах работы, где этот диод проводит ток, а затем резко выключается. Свойства этого диода заметно ухудшаются с ростом температуры кристалла, а также при увеличении класса СТК по блокируемому напряжению. На рисунке слева схематически показан поперечный разрез кристалла классического MOSFET’а:


Как упоминалось ранее, были предложены и испытаны различные технические решения, призванные смягчить недостатки MOSFET, сохранив, по возможности, их лучшие качества, т.е. объединить в одном СТК сильные стороны приборов на основных и неосновных носителях. Наиболее удачным оказался биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), поперечный разрез которого изображен на рисунке справа. Сравнивая эти рисунки, видим, что в структуре IGBT имеется дополнительная P+ область и, соответственно, еще один P-N-переход.

Ток MOSFET’а в составе IGBT является управляющим (током базы) для биполярного PNP-транзистора. Являясь приборами на неосновных носителях, IGBT имеют превосходные характеристики в проводящем состоянии, которые к тому же, в отличие от MOSFET’а, не столь сильно зависят от температуры кристалла и класса СТК по блокируемому напряжению. Одновременно IGBT сохраняют и многие достоинства, присущие MOSFET’у: простоту управления, широкую ОБР и очень большой допустимый ток. В общем, по скорости переключения и стойкости при перегрузках, IGBT уступают MOSFET’у, хотя внесенные в конструкции и технологии изготовления IGBT за три десятилетия их серийного производства усовершенствования позволили значительно сократить этот разрыв. Отсутствие в структуре IGBT встроенного обратного диода предоставляет пользователю возможность выбора между применением внешнего диода с быстрым восстановлением, имеющим оптимальные для данной задачи характеристики, или использованием «DUО-РАСK»-прибора, т.е. размещенных в одном корпусе кристаллов IGBT и антипараллельного диода.

 

 

 

 

ОБОЗНАЧЕНИЕ на схемах
IGBT-транзисторы имеют следующие условно-графические обозначения:

или

Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзисторов, его выводы получили соответствующие названия: затвор – управляющий электрод – (З или G), эмиттер (Э или Е) и коллектор (К или С).


ЭКВИВАЛЕНТНАЯ схема

IGBT-транзистор – это достаточно сложный прибор, в котором МОП-транзистор с каналом n-типа управляет транзистором типа PNP. Эквивалентную схему IGBT-транзистора также изображают по-разному. Простой вариант (что слышим, то и рисуем: МОСФЕТ + биполярный):

С её помощью можно описать процесс работы БТИЗ двумя этапами: как только подается положительное напряжение между затвором и истоком, открывается полевой транзистор, то есть индуцируетсяпроводящий n-канал. При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору протекает ток.
Более сложный вариант, но значительно точнее отражающий истинную структуру IGBT:

Естественно, описание работы такой схемы гораздо сложнее.
Коллектор IGBT-транзистора является эмиттером транзистора VT4. При подаче положительного напряжения на затвор у транзистора VT1 индуцируется проводящий канал. Через него эмиттер транзистора IGBT (коллектор транзистора VT4) оказывается соединенным с базой транзистора VT4.Это приводит к тому, что он полностью отпирается и падение напряжения между коллектором транзистора IGBT и его эмиттером становится равным падению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4, просуммированному с падением напряжения Uси на транзисторе VT1. В связи с тем, что падение напряжения на р–n-переходе уменьшается с увеличением температуры, падение напряжения на отпертом IGBT-транзисторе в определенном диапазоне токов имеет отрицательный температурный коэффициент, который становится положительным при большом токе. Поэтому падение напряжения на IGBT-транзисторе не опускается ниже порогового напряжения диода (эмиттерного перехода VТ4).
При увеличении напряжения, приложенного к IGBT-транзистору, увеличивается ток канала, определяющий ток базы транзистора VT4, при этом падение напряжения на IGBT-транзисторе уменьшается.При запирании транзистора VT1 ток транзистора VT4 становится малым, что позволяет считать его запертым.

ОСОБЕННОСТИ И СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ IGBT (БТИЗ)
Отличительные качества IGBT:
•          управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
•          имеют низкие потери в открытом состоянии;
•          могут работать при температуре более 100°C;
•          способны работать с напряжением более 1000 В и мощностями свыше 5 кВт.

Перечисленные качества позволили применять IGBT-транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока. Кроме того, они часто применяются в сварочных инверторах, в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.
Кроме того, IGBT-транзисторы устанавливают в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением. Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.
IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан IGBT Semikron SKM 300GB063D из частотного преобразователя (частотника) для управления трёхфазным двигателем.

Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост). Но и порядок цен на модули совершенно иной. Данный, например, стоит 7900 р.

ЭПИЛОГ
Стоит отметить, что IGBT и MOSFET’ы в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают MOSFET-транзисторам, а для мощных высоковольтных – IGBT.
Так, например, IGBT-транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери. Также наиболее полно возможности IGBT-транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт. Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.

ДЕСЕРТ: схема УНЧ на псевдоIGBT-транзисторах

Подробнее см. на сайте http://mikrocxema.ru/unch-i-zvukotekhnika/skhema-unch-na-psevdo-igbt-tranzistorakh.html#comment-9079

От себя добавлю, что во времена моего школьного детства было понятие «псевдо-стерео», а во времена юности – «квази-стерео». Для тех, кто о таком не слышал, поясню, что ни одно, ни другое не являлось тем, что мы сейчас называем просто «СТЕРЕО». Вот так-то.

 

ИСТОЧНИКИ

НАЗАД на страницу РАДИОбиблиотека