IGBT tranzistory
Bipolární tranzistory s izolovaným hradlem jsou novým typem aktivních zařízení, které se objevily relativně nedávno. Jeho vstupní charakteristiky jsou podobné vstupním charakteristikám tranzistoru s efektem pole a jeho výstupní charakteristiky jsou podobné výstupním charakteristikám bipolárního.
V literatuře se toto zařízení nazývá IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)... Rychlostí výrazně předčí bipolární tranzistory... Nejčastěji se jako výkonové spínače používají IGBT tranzistory, kde doba sepnutí je 0,2 — 0,4 μs a doba vypnutí 0,2 — 1,5 μs, spínaná napětí dosahují 3,5 kV a proudy 1200 A .
Tranzistory IGBT-T nahrazují tyristory z vysokonapěťových konverzních obvodů a umožňují vytvářet pulzní sekundární zdroje s kvalitativně lepšími vlastnostmi. Tranzistory IGBT-T jsou široce používány v invertorech pro řízení elektromotorů, ve vysoce výkonných systémech trvalého napájení s napětím nad 1 kV a proudy stovek ampér.Do jisté míry je to dáno tím, že v zapnutém stavu při proudech stovek ampér je úbytek napětí na tranzistoru v rozmezí 1,5 — 3,5V.
Jak je patrné ze struktury IGBT tranzistoru (obr. 1), jedná se o poměrně složité zařízení, ve kterém je pn-p tranzistor řízen n-kanálovým MOS tranzistorem.
Kolektor tranzistoru IGBT (obr. 2, a) je emitorem tranzistoru VT4. Když je na bránu přivedeno kladné napětí, má tranzistor VT1 elektricky vodivý kanál. Prostřednictvím něj je emitor tranzistoru IGBT (kolektor tranzistoru VT4) připojen k bázi tranzistoru VT4.
To vede k tomu, že je zcela odblokován a úbytek napětí mezi kolektorem tranzistoru IGBT a jeho emitorem se rovná úbytku napětí v přechodu emitoru tranzistoru VT4, sečtenému s úbytkem napětí Usi na tranzistoru VT1.
Vzhledem k tomu, že úbytek napětí v přechodu p — n klesá s rostoucí teplotou, má úbytek napětí v odblokovaném IGBT tranzistoru v určitém proudovém rozsahu záporný teplotní koeficient, který se při vysokém proudu stává kladným. Proto pokles napětí na IGBT neklesne pod prahové napětí diody (emitor VT4).
Rýže. 2. Ekvivalentní zapojení IGBT tranzistoru (a) a jeho označení v domácí (b) a zahraniční (c) literatuře
Jak se napětí aplikované na IGBT tranzistor zvyšuje, zvyšuje se kanálový proud, což určuje základní proud tranzistoru VT4, zatímco pokles napětí na IGBT tranzistoru klesá.
Když je tranzistor VT1 uzamčen, proud tranzistoru VT4 se zmenší, což umožňuje považovat jej za uzamčený. Jsou zavedeny další vrstvy, které deaktivují tyristorové typické provozní režimy, když dojde k lavinovému zhroucení. Vyrovnávací vrstva n + a široká oblast báze n– poskytují snížení proudového zesílení tranzistoru p — n — p.
Obecný obraz zapínání a vypínání je poměrně složitý, protože dochází ke změnám v pohyblivosti nosičů náboje, koeficientů přenosu proudu v tranzistorech p — n — p a n — p — n přítomných ve struktuře, ke změnám v odporech regiony atd.. I když v principu IGBT tranzistory mohou být použity pro provoz v lineárním režimu, zatímco se používají hlavně v klíčovém režimu.
V tomto případě jsou změny napětí spínače charakterizovány křivkami znázorněnými na Obr.
Rýže. 3. Změna poklesu napětí Uke a proudu Ic IGBT tranzistoru
Rýže. 4. Ekvivalentní schéma tranzistoru typu IGBT (a) a jeho proudově napěťové charakteristiky (b)
Studie ukázaly, že u většiny IGBT tranzistorů doba zapnutí a vypnutí nepřesahuje 0,5 — 1,0 μs. Pro snížení počtu přídavných externích součástek se do IGBT tranzistorů zavádějí diody nebo se vyrábějí moduly skládající se z více součástek (obr. 5, a — d).
Rýže. 5. Symboly modulů IGBT tranzistorů: a — MTKID; b — MTKI; c — M2TKI; d — MDTKI
Mezi symboly IGBT tranzistorů patří: písmeno M — bezpotenciálový modul (báze je izolovaná); 2 — počet klíčů; písmena TCI — bipolární s izolovaným krytem; DTKI — dioda / bipolární tranzistor s izolovaným hradlem; TCID — bipolární tranzistor / izolovaná hradlová dioda; čísla: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — maximální proud; čísla: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — maximální napětí mezi kolektorem a emitorem Uke (* 100V). Například modul MTKID-75-17 má UKE = 1700 V, I = 2 * 75 A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Doktor technických věd, profesor L.A. Potapov