IGBT- ключи

В области высоких напряжений, больших мощностей (до сотен кВт) и частот до 50 кГц используются, в основном, биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT. Диапазоны коммутируемых напряжений и токов для современных IGBT простираются до 1700 В и 2400 А. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура.

Рис 2.15. Силовой транзистор IGBT: а) эквивалентная схема; б) условное обозначение в) схема нижнего ключа.

IGBT сочетает в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления) и имеет три внешних вывода - эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока, базы и истока являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Процесс включения IGBT можно представить в следующей последовательности. После подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию p-n-p биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного. Ток управления IGBT, обусловленный токами утечки затвора, мал. Отсутствие тока управления в статических режимах и общее низкое потребление по цепям питания позволяют отказаться от гальванически изолированных схем управления на дискретных элементах и создать компактные интегральные схемы-драйверы. В модулях IGBT драйверы непосредственно включены в их структуру.

Характеристики переключения IGBT - приборов хуже, чем у биполярных транзисторов, но в то же время при больших токах и напряжениях по совокупности характеристик IGBT - приборы превосходят и биполярные, и МОП-транзисторы.

Драйверы, управляющие транзисторами нижнего плеча, в настоящее время выпускаются практически всеми ведущими фирмами. Кроме обеспечения тока затвора они способны выполнять и ряд вспомогательных функций, таких как защита от перегрузки по току, от падения напряжения управления и ряда других.

Некоторые фирмы выпускают драйверы транзисторов верхнего плеча, выдерживающие перепад напряжений до 600 В (и даже 1200 В), а также драйверы полумостовых и мостовых соединений мощных транзисторов. На их входы подаются стандартные сигналы КМОП или ТТЛ относительно земляной шины питания.

Бесспорно, в настоящее время, IGBT являются наиболее совершен­ными серийно выпускаемыми ключе­выми приборами. Диапазоны токов и напряжений этих приборов быстро расширяются. IGBT вытесняют тиристоры из последнего, сохранившегося за ними, диапазона сверхбольших мощностей.

В то же время IGBT имеют ряд «врожденных» недостатков, обуслов­ленных физическими особенностями их работы; весьма значительное для биполярного ключа падение на­пряжения в открытом состоянии, под­верженность эффекту «защелкива­ния», низкая стойкость к токам ко­роткого замыкания, сложные схемы защиты, большая стоимость в расчете на один ампер. Технология изготовле­ния IGBT по уровню сложности близ­ка к технологии силовых больших ин­тегральных схем и продол­жает усложняться с каждым новым поколением. В результате коммерчес­ки выгодное производство данных ключей доступно во всем мире лишь небольшому числу фирм с наиболее мощной технологической базой.