Технология igbt. IGBT транзисторы: преимущества, типы и применение в силовой электронике

Что такое IGBT транзисторы. Каковы их основные типы и преимущества перед MOSFET. Где применяются IGBT в современной силовой электронике. Как работают IGBT и в чем их отличия от других типов транзисторов.

Что такое IGBT транзистор и его основные особенности

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) — это силовой полупроводниковый прибор, сочетающий в себе свойства биполярного и полевого транзисторов. Основные особенности IGBT:

• Высокое входное сопротивление (как у MOSFET)
• Низкое сопротивление в открытом состоянии (как у биполярного транзистора)
• Возможность управления большими токами и напряжениями
• Высокое быстродействие
• Простота управления напряжением

IGBT объединяет преимущества MOSFET и биполярных транзисторов, что делает его оптимальным выбором для многих применений в силовой электронике. Но каковы основные типы IGBT и в чем их отличия?

Основные типы IGBT транзисторов

Существует несколько основных типов IGBT транзисторов, отличающихся по своей внутренней структуре и характеристикам:

1. PT IGBT (Punch Through)

Это один из первых типов IGBT. Особенности PT IGBT:

• Наличие дополнительного n+ слоя
• Более низкие потери проводимости
• Высокое быстродействие
• Сложность в производстве

2. NPT IGBT (Non-Punch Through)

Более простая структура по сравнению с PT IGBT. Характеристики NPT IGBT:

• Отсутствие n+ слоя
• Более высокая надежность
• Меньшая стоимость производства
• Хорошая устойчивость к коротким замыканиям

3. FS IGBT (Field Stop)

Современный тип IGBT, сочетающий преимущества PT и NPT. Особенности FS IGBT:

• Наличие тонкого n-слоя (field stop layer)
• Низкие потери проводимости и переключения
• Высокая надежность
• Оптимальное соотношение характеристик

Выбор конкретного типа IGBT зависит от требований конкретного применения. Но где именно используются эти транзисторы?

Основные области применения IGBT транзисторов

IGBT транзисторы нашли широкое применение в различных областях силовой электроники:

• Преобразователи частоты для электроприводов
• Источники бесперебойного питания (ИБП)
• Сварочные аппараты инверторного типа
• Индукционные нагреватели
• Системы электропитания электротранспорта
• Импульсные источники питания большой мощности
• Системы управления электродвигателями

IGBT особенно эффективны в приложениях, требующих коммутации больших токов и напряжений на высоких частотах. Но в чем заключаются их основные преимущества перед другими типами транзисторов?

Преимущества IGBT перед MOSFET и биполярными транзисторами

IGBT имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с MOSFET и биполярными транзисторами:

• Более высокая плотность тока
• Меньшие потери проводимости при высоких напряжениях
• Простота управления напряжением (в отличие от биполярных транзисторов)
• Устойчивость к короткому замыканию
• Возможность работы на высоких частотах (в отличие от тиристоров)
• Низкий уровень шумов

Эти преимущества делают IGBT оптимальным выбором для многих применений в современной силовой электронике. Но как именно работают эти транзисторы?

Принцип работы IGBT транзистора

Работа IGBT основана на сочетании принципов биполярного и полевого транзисторов:

1. При подаче положительного напряжения на затвор формируется канал, как в MOSFET
2. Через канал протекает ток базы внутреннего биполярного транзистора
3. Биполярный транзистор открывается, обеспечивая протекание основного тока
4. При снятии напряжения с затвора канал закрывается, прекращая подачу базового тока
5. Биполярный транзистор закрывается, прерывая основной ток

Такая комбинированная структура позволяет получить низкое сопротивление в открытом состоянии при высоком входном сопротивлении. Но каковы перспективы дальнейшего развития IGBT?

Перспективы развития IGBT технологии

Технология IGBT продолжает активно развиваться. Основные направления совершенствования:

• Снижение потерь проводимости и переключения
• Повышение рабочих частот
• Увеличение плотности тока
• Улучшение тепловых характеристик
• Интеграция дополнительных функций защиты
• Оптимизация для конкретных применений

Развитие IGBT технологии позволит еще больше расширить области их применения и повысить эффективность силовой электроники.

Заключение

IGBT транзисторы являются ключевым элементом современной силовой электроники, сочетая в себе преимущества биполярных и полевых транзисторов. Их уникальные характеристики делают их незаменимыми во многих применениях, требующих эффективного управления большими токами и напряжениями. Дальнейшее развитие IGBT технологии открывает новые перспективы для совершенствования систем преобразования энергии.

Новая технология РТ IGBT против мощных полевых транзисторов

О компании Advanced Power Technology

Диапазон продукции Advanced Power Technology достаточно широк и объединяет в себе различные направления. Это дискретные устройства — биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT, мощные полевые транзисторы, диоды на основе барьера Шоттки, диоды с быстрым восстановлением, а также модульные сборки на основе кристаллов дискретных элементов. Кроме того, APT выпускает устройства с повышенными эксплуатационными характеристиками для военной, аэрокосмической промышленности и мощные высокочастотные силовые транзисторы.

Сегодня мы постараемся поподробнее рассмотреть одно из направлений силовых полупроводниковых приборов — линию дискретных биполярных транзисторов с изолированным затвором РТ IGBT, выполненных по новой технологии Advanced Power Technology Power MOS 7.

 

Структура РТ IGBT

Всем известно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором обладают преимуществами легкого управления  МОП полевых транзисторов и низкими потерями проводимости, характерными для биполярных транзисторов. Традиционно IGBT используют в применениях, где необходимо работать с высокими токами и напряжениями. Сегодня Advanced Power Technology представляет новое поколение РТ IGBT, которое позволяет сбалансировать потери на переключение и потери проводимости и использовать эти транзисторы в области высоких частот, где обычно применяются МОП полевые транзисторы, одновременно обеспечивая высокий КПД.

Как видно из рис. 1, структура РТ IGBT практически идентична структуре других топологий биполярных транзисторов с изолированным затвором.

Рис. 1. Структура PT IGBT

Особенностью структуры РТ IGBT является наличие комбинации инжектирующего слоя p+ и буферного слоя n+. Благодаря высокой инжектирующей способности слоя p+ буферный слой контролирует коэффициент передачи транзистора при помощи ограничения числа дырок, которые были изначально введены в область дрейфа. В связи с тем что время жизни неосновных носителей в буферном слое намного ниже, чем в области дрейфа, буферный слой поглощает захваченные дырки в момент выключения.

В дополнение к работе буферного слоя n+, «хвостовой» ток в PT IGBT контролируется ограничением общего времени жизни неосновных носителей до того, как они рекомбинируют. Это свойствоназывается управлением временем жизни неосновных носителей. Облучение электронами в процессе производства создает дополнительные рекомбинационные центры во всем пространстве кристалла кремния, которые существенно уменьшают время жизни неосновных носителей и, следовательно, «хвостовой» ток. Дырки быстро рекомбинируют даже при отсутствии напряжения в устройстве, характерном для режима мягкого переключения.

Устройства нового поколения PT IGBT Power MOS 7 выделяются среди прочих IGBT высокой скоростью переключений. Этому способствует металлическая полосковая топология затвора. В результате применения данной топологии устройства обладают очень низким внутренним эквивалентным сопротивлением затвора (EGR) — доли Ом — гораздо меньшим, чем у устройств с поликремниевым затвором. Низкое сопротивление затвора дает возможность быстрее осуществлять переключения и, следовательно, уменьшить потери. Полосковая металлическая топология обеспечивает равномерное и быстрое возбуждение затвора, уменьшая нагрев при переходных процессах и повышая надежность. Наконец, полосковая структура затвора более устойчива к дефектам, которые неизбежно возникают во время производства, и улучшает выносливость и надежность устройства, особенно в режиме работы транзистора при высоком токе и высокой температуре.

Управление PT IGBT Power MOS 7 очень похоже на управление традиционными МОП полевыми транзисторами. При прямой замене полевых транзисторов устройствами PT IGBT Power MOS 7 в высокочастотных применениях можно использовать те же уровни, даже если они составляют всего 10 В. В этих случаях рекомендуемые значения управляющего напряжения затвора для уменьшения потерь при включении составляют 12–15 В — как для биполярных транзисторов с изолированным затвором, так и для МОП полевых транзисторов.

Потери на переключение и потери проводимости
Динамические характеристики включения биполярных транзисторов с изолированным затвором практически идентичны характеристикам МОП полевых транзисторов. При выключении есть различия, связанные с наличием «хвостового» тока. Подавить «хвостовой» ток полностью не удается, и поэтому у IGBT импульсная энергия выключения намного больше энергии включения. Стремление получить высокие динамические характеристики и сокращение потерь на переключение приводит к росту потерь проводимости, поэтому перед разработчиками часто стоит проблема выбора оптимального соотношения. Чтобы уменьшить потери проводимости, импульсная энергия должна увеличиваться и наоборот, а снижение напряжения приводит к росту потерь на переключение.

Рис. 2 изображает выбор оптимального соотношения между импульсной энергией выключения Еoff и напряжением коллектор — эмиттер в открытом состоянии транзистора VCE(on). Представлены зависимости для двух поколений IGBT: характеристика предыдущего поколения IGBT и характеристика РТ IGBT Power MOS 7. При использовании устройств нового поколения РТ IGBT удается снизить энергию выключения на 30–50% без значительного увеличения VCE(on). Результатом этого является повышение КПД в импульсных источниках питания, использующих PT IGBT новой технологии Power MOS 7.

Рис. 2. Зависимость импульсной энергии от напряжения

 

Рабочие частоты и токи

Одним из самых удобных методов сравнения производительности различных устройств, таких, например, как IGBT и МОП полевые транзисторы, является зависимостьрабочей частоты от тока. Удобство метода заключается в том, что можно увидеть не только потери проводимости, но и потери на переключение, а также оценить тепловое сопротивление.

На рис. 3 изображены кривые зависимости частоты и тока для трех устройств: одного PT IGBT и двух мощных МОП полевых транзисторов. Все три устройства являются устройствами нового поколения Power MOS 7 производства АРТ.

Рис. 3. Зависимость рабочей частоты от тока

АРТ30GP60В — это биполярный транзистор с изолированным затвором нового семейства PT IGBT Power MOS 7 с рабочим напряжением 600 В и номинальным значением прямого тока IC2 49 А в корпусе ТО-247. Устройства АРТ6038ВLL и АРТ6010В2LL — это МОП полевые транзисторы Power MOS 7 с рабочим напряжением 600 В и номинальными значениями прямых токов ID 17 и 54 А соответственно. Транзистор АРТ6038ВLL выполнен в корпусе ТО-247, а АРТ6010В2LL — в корпусе Т-МАХ (схожий с ТО-247).

В качестве условий тестирования были выбраны следующие параметры: режим жесткого переключения с индуктивной нагрузкой, рабочее напряжение 400 В, температура перехода TJ — 175 °С, температура корпуса TC — 75 °С, рабочий цикл 50% и общее сопротивление затвора 5 Ом. Совместно с каждым устройством в качестве фиксирующего использовался диод сверхбыстрого восстановления на 15 А и 600 В. Тестируемая схема представляла собой типовую топологию для индуктивных нагрузок.

Устройства АРТ30GP60В и АРТ6038ВLL имеют одинаковые размеры кристалла, а размер кристалла АРТ6010В2LL примерно в 3 раза больше. Обычно стоимость устройства зависит от площади кристалла, поэтому устройства с требуемыми характеристиками, построенные на меньшем по площади кристалле, стоят, как правило, дешевле.

Предположим, что нам необходимо обеспечить импульсный ток 8 А на частоте 200 кГц. Исходя из зависимостей на рис. 3, становится ясно, что МОП полевой транзистор АРТ6038ВLL — наилучший выбор, так как он может работать со значительно большими частотами, чем другие устройства. Теперь предположим, что требуется обеспечить ток 20 А на частоте 200 кГц. Такой ток будет способен обеспечить как PT IGBT АРТ30GP60В, так и МОП полевой  транзистор АРТ6010В2LL. Однако PT IGBT АРТ30GP60В будет стоить в три раза меньше, чем транзистор АРТ6010В2LL, в связи с уменьшенным размером кристалла. МОП полевой  транзистор АРТ6038ВLL полностью отпадает. При токе выше 37 А PT IGBT имеет все преимущества, даже не смотря на то, что обладает меньшим размером кристалла. При таких рабочих частотах температура перехода IGBT будет ниже, чем у МОП полевого транзистора. Этот пример идет вразрез с общепринятым мнением, что МОП полевые транзисторы всегда работают эффективнее, чем IGBT, и высокая эффективность подразумевает высокую стоимость.

Для более корректного анализа стоит сделать еще несколько замечаний.

Во-первых, значение прямого тока ID МОП полевого транзистора АРТ6038ВLL составляет 17 А, но в нашем случае этот полевой транзистор вряд ли сможет обеспечить ток более 10 А. При других условиях, таких, например, как короткий рабочий цикл, транзистор сможет обеспечить прямой ток, близкий к номинальному значению. Номинальное значение прямого тока не может показать нам реальное значение тока для нашего применения, так как измеряется оно в непрерывном режиме (без потерь на переключение) и при определенной температуре. В основном номинальное значение прямого тока показывает относительную величину тока и потери проводимости в устройстве.

Во-вторых, общее сравнение показывает, что значение прямого тока ID МОП полевого транзистора АРТ6010В2LL (при непрерывном режиме с температурой корпуса 25 °С) близко к значению прямого тока IC2 IGBT АРТ30GP60В (при непрерывном режиме с температурой корпуса 110 °С) — 54 и 49 А соответственно. Эти характеристики весьма схожи между собой, производительность этих двух устройств тоже практически одинаковая. Оба устройства могут работать на частоте 200 кГц при рабочих токах, в половину меньших номинального значения тока.

В-третьих, биполярные транзисторы обладают большей плотностью тока, чем МОП полевые транзисторы, благодаря чему IGBT используют кристаллы меньшего размера с тем же уровнем мощности, что и МОП полевые транзисторы. Из-за значительного увеличения сопротивления в открытом состоянии полевые транзисторы обладают гораздо меньшей плотностью тока при рабочих напряжениях свыше 300 В. И здесь гораздо целесообразнее использовать IGBT.

В завершении надо отметить, что необходимо понимание относительной эффективности того или иного устройства при применении в различных условиях. На высоких частотах и сравнительно низкихтоках предпочтение отдается, как правило, МОП полевым транзисторам (или же РТ IGBT малых размеров). IGBT является лучшим решением в применениях, где требуется больший ток, так как потери проводимости умеренно увеличиваются с увеличением тока, в то время как значения потерь проводимости мощного полевого транзистора пропорциональны квадрату значения тока. В большинстве частотных и токовых диапазонов могут применяться различные устройства, однако последнее поколение PT IGBT Power MOS 7 выступает как самое недорогое решение.

 

Температурные эффекты

Скорость включения в импульсном режиме работы и потери для биполярных транзисторов с изолированным затвором и полевых транзисторов практически не зависят от температуры. Между тем, в режиме жесткого переключения обратный ток восстановления диода увеличивается с увеличением температуры, что увеличивает потери на переключение. Скорость выключения МОП полевых транзисторов также, в сущности, не связана с температурой, но скорость выключения IGBT ухудшается и потери на переключение, соответственно, увеличиваются с ростом температуры. Тем не менее в транзисторах PT IGBT Power MOS 7 потери сохраняются практически на прежнем уровне благодаря контролю над временем жизни неосновных носителей.

Одним из основных недостатков обычных IGBT силовых транзисторов является отрицательный температурный коэффициент (ТК) по напряжению насыщения (VCE(on)), что нарушает баланс токов при параллельном соединении транзисторов.

На рис. 4 представлены зависимости, характеризующие температурный коэффициент IGBT APT65GP60B2.

Рис. 4. Температурный коэффициент IGBT APT65GP60B2

Из рисунка видно, что температурный коэффициент слегка меняется в зависимости от тока коллектора — от отрицательного значения при токе меньше 65 А (нулевому ТК соответствует ток 75 А — на рисунке не показан) до положительного при токе больше 75 А. На это свойство специально был сделан упор при разработке PT IGBT Advanced Power Technology Power MOS 7 нового поколения. Данное свойство позволяет достаточно просто осуществлять параллельное включение устройств.

В отличие от PT IGBT полевые транзисторы обладают жестким положительным температурным коэффициентом, что приводит к потере проводимости при соединении более чем двух устройств при условии их работы в температурном диапазоне 25–125 °С.

 

Применение в системах импульсных источников питания (SMPS)

Усилительный преобразователь в режиме жесткого переключения

На рис 5. дано сравнение зависимостей рабочей частоты и прямого тока устройств PT IGBT АРТ15GP60В (IC2 = 27 А) и полевого транзистора АРТ6029BLL (ID = 21 А). Условия были выбраныте же, что и ранее: режим жесткого переключения с индуктивной нагрузкой, рабочее напряжение 400 В, температура перехода TJ — 175 °С, температура корпуса TC — 75 °С, рабочий цикл 50% и общее сопротивление затвора 5 Ом. Совместно с каждым устройством в качестве фиксирующего использовался диод сверхбыстрого восстановления на 15 А и 600 В. Из приведенных зависимостей видно, что каждое устройство может работать с частотой 200 кГц и током 14 А. При увеличении токов более привлекательным становится использование IGBT, так как при этом его рабочая частота выше, чем полевого транзистора. IGBT АРТ15GP60В обладает меньшими размерами кристалла, и поэтому дешевле. При значениях тока ниже 14 А полевой МОПтранзистор может работать с более высокой частотой, и это означает, что использование МОП полевого транзистора в этих условиях эффективнее, чем использование IGBT.

Рис. 5. Исполнение в схеме SMPS. Зависимость частоты усиления от тока

 

Фазосдвигающий мост

На рис. 6 приведена зависимость максимальной рабочей частоты и тока для устройств, схожих с предыдущими. АРТ6029BFLL — это силовой транзистор из семейства FREDFET (полевой транзистор со встроенным быстрым диодом), а АРТ15GP60BDF1 — COMBI IGBT (IGBT со встроенным диодом быстрого восстановления). Оба устройства могут использоваться в построении мостовых схем.

Рис. 6. Зависимость рабочей частоты от тока для фазосдвигающего моста

Анализируемая схема представляет собой ключ нулевого напряжения, что характерно для режима жесткого переключения. Из рис. 6 видно, что кривые зависимости частоты от тока просто смещены в область более высоких значений тока, если сравнивать с рис. 5 для усилительного преобразователя в режиме жесткого переключения. На самом деле необходимо отметить, что кривые IGBT смещены дальше, чем кривые полевого транзистора. Это обусловлено тем, что IGBT обладает меньшими потерями проводимости, чем полевой транзистор. При рабочем токе выше 13 А основные потери полевого транзистора обусловлены потерями проводимости. При значении тока 15 А у МОП полевого транзистора АРТ6029BLF теряется 75 Вт мощности в связи с потерями проводимости, в то время как у PT IGBT АРТ15GP60BDF1 — около 14 Вт. Потери на переключение преобладают над потерями проводимости IGBT вплоть до уровня рабочего тока 40 А. При токе выше 40 А потери проводимости IGBT становятся больше, чем потери на переключение.

Когда значение рабочей частоты ниже 300 кГц, IGBT обладает преимуществом режима мягкого включения в схеме фазосдвигающего моста, так как допустимое максимальное значение рабочего тока больше, чем у полевого транзистора. Малые потери на переключение IGBT в результате мягкого переключения дополнены малыми потерями проводимости. Таким образом, семейство Power MOS 7 PT IGBT находит свое применение как в схемах мягкого, так и жесткого переключения.

 

Заключение

Новое поколение биполярных транзисторов с изолированным затвором PT IGBT Power MOS 7 производства Advanced Power Technology обладает совокупностью значительно улучшенных динамических характеристик, малыми потерями проводимости и универсальной способностью мягкого переключения. Дополняя эти преимущества немаловажным фактором — невысокой стоимостью — новое поколение транзисторов PT IGBT Power MOS 7 действительно может заменить полевые транзисторы в применениях импульсного электропитания. Теперь уже трудно сказать, насколько долго продержатся высоковольтные полевые транзисторы в составе устройств питания. Скорее всего, в будущем биполярные транзисторы с изолированным затвором займут их место.

Литература

1. Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs. Application Note APT0302 Rev. A. 04-04-2003.

MOSFET или IGBT?

Сначала рассмотрим различия в целом. В настоящий момент все производители инверторов (ММА) выпускаются по двум полупроводниковым технологиям IGBT и MOSFET. Не буду вдаваться в подробности, скажу только то, что в схемотехнике этих аппаратов используются разные полупроводниковые транзисторы IGBT и MOSFET. Основое различие между этими транзисторами — различный ток коммутации. Большим током обладают транзисторы IGBT.

Для изготовления стандартного инвертора понадобится 2–4 IGBT транзистора (в зависимости от рабочего цикла), a MOSFET — 10–12, т. к. они не могут пропускать через себя большие токи, поэтому их приходится делить на такое большое количество транзисторов. Вот собственно в чем и отличие.

Тонкость в том, что транзисторы очень сильно греются и их необходимо установить на мощные алюминиевые радиаторы. Чем больше радиатор, тем больше съем тепла с него, а, следовательно, его охлаждающая способность. Чем больше транзисторов, тем больше радиаторов охлаждения необходимо установить, следовательно, увеличиваются габариты, вес и т. д. MOSFET здесь однозначно проигрывает.

На практике схемотехника MOSFET не позволяет создать аппарат на одной плате: т. е аппараты, которые сейчас есть в продаже, собраны в основном на трех платах. IGBT аппараты всегда идут на одной плате.

Основные недостатки MOSFET

• соединение трех плат;
• худший теплообмен;
• каскадный выход транзисторов из строя при неисправности одного транзистора;
• меньший КПД (относительно IGBT).

Проще говоря, IGBT более современная технология, чем MOSFET.

Недостатки MOSFET

Что лучше MOSFET или IGBT?

Некоторые компании идут в ногу со временем и при производстве сварочных инверторов используют IGBT транзисторы американской фирмы «Fairchaild», частота переключения которых составляет 50 кГц, т. е. 50000 раз в секунду. IGBT технологию выбрали неспроста, ведь рабочий диапазон температур у них с сохранением параметров гораздо больше, чем у MOSFET, т. е. при нагреве у MOSFETa падают качественные характеристики.

В конструкции САИ (Ресанта) используется одна маленькая плата, которая устанавливается вертикально, а также 4 IGBT транзистора (работают обособленно друг от друга, т. е. не выгорают все, если выгорел один как у MOSFET) и 6 диодов-выпрямителей (а не 12 как у MOSFET), соответственно отказоустойчивость ниже. Это ещё один «плюс» IGBT.

Можно напомнить покупателю о том, что в современных сварочных инверторов используется только 4 обособленных транзистора, а не 12 каскаднозависимых как у MOSFET. Всякое в жизни бывает, но, чтобы не произошло в случае выхода из строя одного транзистора (если не гарантийный случай), замена покупателю обойдется где-то в районе 400 р., а не 12×110 р. = 1320 р. Думаю, что разница приличная.

Как отличить: Визуально аппараты IGBT в большинстве своём отличаются от MOSFET вертикальным расположением силовых разъёмов, т. к. плата одна и обычно устанавливается вертикально. У MOSFET аппаратов выходы обычно расположены горизонтально, т. к. платы в конструкции горизонтально закреплены. Нельзя точно утверждать, что это верно на 100%. Точнее можно сказать, сняв кожух с аппарата.

Многие компании пытаются «выиграть баллы» на транзисторах. Так, например, компания «Aiken» в настоящий момент выпустила на рынок аппараты (по технологии MOSFET) с наклейками на боковых панелях «Используются транзисторы TOSHIBA» а также «Используются транзисторы Mitsubishi». Пытаются выползти на громких и знакомых брендах. На практике это не подтвердилось. Так на крупнейшей Международной инструментальной выставке России Moscow International Tool Expo (MITEX-2011), которая проходила в ноябре 2011г. в «Экспоцентре» (г. Москва), я попросил представителей стенда данной компании разобрать их САИ с наклейкой «Используются транзисторы Mitsubishi» и продемонстрировать данные транзисторы. В итоге сварочные инверторы разобрали, но данных транзисторов не обнаружили. Сами сотрудники компании «Aiken» были в шоке, обнаружив безымянные транзисторы.

Полупроводниковые и системные решения — Infineon Technologies

Новый TRENCHSTOP™ IGBT7 H7, 1200 В

TRENCHSTOP™ IGBT7 H7, 1200 В, предназначен для применения в системах обезуглероживания, таких как фотогальваника

Скачать техническое описание

PCIM Europe 2023

С 9 по 11 мая. Зал 7 / Стенд 412. В этом году мы все о декарбонизации и цифровизации

Полная программа здесь

HYPERRAM™: память расширения в компактном корпусе

Представляем широкий ассортимент энергозависимых решений с низким энергопотреблением и высокой производительностью для промышленной автоматизации и автомобильных приложений

Приходите узнать больше!

Формирование будущего мобильности

Мы сертифицированы по ISO/SAE 21434, международному стандарту систем управления кибербезопасностью в автомобильной отрасли

Открой для себя больше

Веб-семинар: Высокоинтегрированные решения USB PD

Перенесите портативную электронику на USB-C с помощью контроллеров портов зарядки USB-C от Infineon и высоковольтных микроконтроллеров USB-C. Уменьшите сложность системы. Соответствовать последним стандартам.

Зарегистрироваться

Новый веб-семинар по безопасности IoT

Как справиться с растущими проблемами безопасности IoT с помощью новейшей технологии TPM

Зарегистрироваться

Новости

03 апреля 2023 г. | Деловая и финансовая пресса

Infineon оптимизирует свой профиль обезуглероживания: подразделение промышленных приложений будет работать под названием Green Industrial Power (GIP)

28 марта 2023 г. | Business & Financial Press

Устойчивая динамика бизнеса: Infineon ожидает более высоких результатов за второй финансовый квартал и весь 2023 финансовый год

Новости рынка

20 апреля 2023 г. | Новости рынка

Infineon создает автомобильные электронные и электрические архитектуры нового поколения с первой в отрасли флэш-памятью LPDDR

Посетите Infineon в Twitter

Что такое IGBT? Конструкция, типы, работа и применение

Тиристоры являются наиболее часто используемыми компонентами в современной электронике, а логические схемы используются для переключения и усиления. BJT и MOSFET являются наиболее часто используемыми типами транзисторов, каждый из которых имеет свои преимущества перед другими и некоторые ограничения. IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) сочетает в себе лучшие черты как BJT, так и MOSFET в одном транзисторе. Он принимает входные характеристики (высокий входной импеданс) MOSFET (изолированный затвор) и выходные характеристики BJT (биполярный характер).

• Связанный пост: GTO — типы, конструкция, работа и применение

Содержание

Что такое IGBT?

IGBT или биполярный транзистор с изолированным затвором представляет собой комбинацию BJT и MOSFET. Его название также подразумевает слияние между ними. «Изолированный затвор» относится к входной части полевого МОП-транзистора с очень высоким входным сопротивлением. Он не потребляет никакого входного тока, а работает от напряжения на клемме затвора. «Биполярный» относится к выходной части биполярного транзистора биполярного типа, в которой протекание тока обусловлено обоими типами носителей заряда. Это позволяет ему обрабатывать очень большие токи и напряжения, используя сигналы малого напряжения. Эта гибридная комбинация делает IGBT устройством, управляемым напряжением.

Это четырехуровневое устройство PNPN с тремя соединениями PN. Он имеет три вывода: Ворота (G), Коллектор (C) и Излучатель (E). Название клеммы также предполагает, что она взята из обоих транзисторов. Терминал затвора, поскольку он является входной частью, взят из MOSFET, а коллектор и эмиттер, поскольку они являются выходом, взяты из BJT.

Связанный пост:

• DIAC – конструкция, работа и применение
• TRIAC – конструкция, работа и применение

Конструкция IGBT

IGBT состоит из четырех слоев полупроводника, образующих структуру PNPN. Электрод коллектора (C) прикреплен к P-слою, а эмиттер (E) прикреплен между слоями P и N. Подложка P+ используется для изготовления IGBT. Поверх него помещается N-слой, образующий PN-переход J1. Две P-области изготовлены поверх N-слоя для формирования PN-перехода J2. Область P разработана таким образом, чтобы оставить путь посередине для электрода затвора (G). Области N+ рассеяны по области P, как показано на рисунке.

Эмиттер и затвор представляют собой металлические электроды. Эмиттер непосредственно присоединен к области N+, а затвор изолирован слоем диоксида кремния. Базовый слой P+ инжектирует дырки в N-слой, поэтому его называют слоем инжектора. В то время как N-слой называется областью дрейфа. Его толщина пропорциональна блокирующей способности по напряжению. Вышеупомянутый P-слой известен как корпус IGBT.

N-слой предназначен для прохождения тока между эмиттером и коллектором через переход с использованием канала, который создается под действием напряжения на электроде затвора.

• Запись по теме: В чем разница между DIAC и TRIAC?

Эквивалентная структура IGBT

Поскольку мы знаем, что IGBT представляет собой комбинацию входа MOSFET и выхода BJT, он имеет структуру, эквивалентную N-канальному MOSFET и PNP BJT в конфигурации Дарлингтона. Сопротивление области дрейфа также может быть учтено.

Если мы посмотрим на вышеприведенную структуру IGBT, то увидим, что существует более одного пути прохождения тока. Путь тока направлен от коллектора к эмиттеру. Первый путь — «коллектор, подложка P+, N-, P, эмиттер». Этот путь уже упоминался с использованием транзистора PNP в эквивалентной структуре. 2 ^nd путь «коллектор, подложка P+, N-, P, N+, эмиттер». Чтобы включить этот путь, в структуру необходимо включить еще один NPN-транзистор, как показано на рисунке ниже.

Работа IGBT

Две клеммы коллектора (C) и эмиттера (E) IGBT используются для проведения тока, а затвор (G) используется для управления IGBT. Его работа основана на смещении между клеммами затвор-эмиттер и клеммами коллектор-эмиттер.

Коллектор-эмиттер подключен к Vcc таким образом, что на коллекторе сохраняется положительное напряжение, чем на эмиттере. Соединение j1 становится смещенным в прямом направлении, а соединение j2 смещается в обратном направлении. В этот момент на затворе нет напряжения. Из-за реверса j2 IGBT остается выключенным, и ток между коллектором и эмиттером не течет.

Приложение напряжения затвора V _G положительное, чем эмиттер, отрицательные заряды будут накапливаться прямо под SiO ₂ из-за емкости. Увеличение V _G увеличивает количество зарядов, которые в конечном итоге образуют слой, когда V _G превышает пороговое напряжение в верхней P-области. Этот слой образует N-канал, замыкающий N-область дрейфа и N+ область.

Электроны из эмиттера перетекают из N+ области в N-дрейфовую область. При этом дырки из коллектора инжектируются из области P+ в область дрейфа N-. Из-за избытка как электронов, так и дырок в дрейфовой области ее проводимость увеличивается и начинает проводить ток. Следовательно, IGBT включается.

• По теме: Типы транзисторов — BJT, FET, JFET, MOSFET, IGBT и специальные транзисторы

Типы IGBT

Существует два типа IGBT на основе буферного слоя N+. Включение этого дополнительного слоя делит их на симметричные и асимметричные IGBT.

Проходной IGBT

Проходной IGBT включает буферный слой N+, из-за чего он также известен как асимметричный IGBT. Они обладают асимметричной способностью блокировки напряжения, т. е. их прямое и обратное напряжения пробоя различны. Их обратное напряжение пробоя меньше, чем прямое напряжение пробоя. Он имеет более высокую скорость переключения.

Пробой через БТИЗ является однонаправленным и не может работать с обратными напряжениями. Поэтому они используются в цепях постоянного тока, таких как инверторы и прерыватели.

Без сквозного IGBT

Их также называют симметричными IGBT из-за отсутствия дополнительного буферного слоя N+. Симметрия в структуре обеспечивает симметричные характеристики напряжения пробоя, т. е. прямое и обратное напряжения пробоя равны. По этой причине они используются в цепях переменного тока.

V-I Характеристики IGBT

В отличие от BJT, IGBT является устройством, управляемым напряжением, которому требуется лишь небольшое напряжение на затворе для управления током коллектора. Однако напряжение затвор-эмиттер V _GE должно быть больше порогового напряжения.

Передаточные характеристики IGBT показывают отношение входного напряжения V _GE к выходному току коллектора I _C . Когда V _GE равен 0 В, I _{C 9 отсутствует.0156, а устройство остается выключенным. Когда напряжение V GE слегка увеличивается, но остается ниже порогового напряжения V GET , устройство остается выключенным, но возникает ток утечки. Когда V GE превышает пороговое значение, I C начинает увеличиваться и устройство включается. Поскольку это однонаправленное устройство, ток течет только в одном направлении.}

На данном графике показана зависимость между током коллектора I _C и напряжение коллектор-эмиттер V _CE при разных уровнях V _GE. При V _GE < V _GET IGBT находится в режиме отсечки и I _C = 0 при любом V _CE . При V _GE > V _GET IGBT переходит в активный режим, где I _C увеличивается с увеличением V _CE . Кроме того, для каждого V _GE , где V _GE1 < V _GE2 < V _GE3 , I _C отличается.

Обратное напряжение не должно превышать предел обратного пробоя. Как и прямое напряжение. Если они превышают соответствующий предел пробоя, через них начинает проходить неконтролируемый ток.

Общее сравнение с BJT и MOSFET

Как мы уже говорили выше, IGBT сочетает в себе лучшие черты как BJT, так и MOSFET. Поэтому он лучше почти во всех отношениях. Вот диаграмма некоторых характеристик, показывающая сравнение IGBT, BJT и MOSFET. мы сравниваем силовые устройства в их максимальных возможностях.

Характеристика	Блок питания BJT	Мощный МОП-транзистор	БТИЗ
Номинальное напряжение	Высокое < 1 кВ	Высокое < 1 кВ	Очень высокое > 1 кВ
Текущий рейтинг	Высокий < 500 А	Низкий < 200 А	Очень высокая > 500 А
Входной параметр	Базовый ток, I б	Напряжение, В ГС	Напряжение, В GE
Входной диск	Коэффициент усиления по току (hfe) 20-200	Напряжение, В ГС 3-10В	Напряжение, В GE 4-8В
Входная мощность привода	Высокий	Низкий	Низкий
Схема входного привода	Комплекс	Простой	Простые
Входное сопротивление	Низкий	Высокий	Высокий
Полное выходное сопротивление	Низкий	Средний	Низкий
Потери при переключении	Высокий	Низкий	Средний
Скорость переключения	Низкий	Быстро	Средний
Стоимость	Низкий	Средний	Высокий

Преимущества и недостатки IGBT

Преимущества

IGBT в целом имеет преимущества как BJT, так и MOSFET.

• Обладает более высокими возможностями обработки напряжения и тока.
• Имеет очень высокое входное сопротивление.
• Он может коммутировать очень большие токи, используя очень низкое напряжение.
• Управляется напряжением, т. е. не имеет входного тока и имеет низкие входные потери.
• Схема привода затвора проста и дешева.
• Его можно легко включить, подав положительное напряжение, и выключить, подав нулевое или слегка отрицательное напряжение.
• Очень низкое сопротивление во включенном состоянии
• Он имеет высокую плотность тока, что позволяет иметь меньший размер микросхемы.
• Он имеет более высокий коэффициент усиления по мощности, чем BJT и MOSFET.
• Имеет более высокую скорость переключения, чем BJT.

Недостатки

• Скорость переключения ниже, чем у MOSFET.
• : Он однонаправленный и не может работать в обратном направлении.
• Не может блокировать более высокое обратное напряжение.