Транзисторы IGBT.

Устройство. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трехслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис. 7 приведены условное обозначение (а) и структурная схема (б) IGBT.

Рис. 7. Биполярный транзистор: а — условное обозначение; б — структурная схема

Данный прибор сочетает в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 8. Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора Е (эмиттер) и С (коллектор), а в цепь управления — выводом G (затвор).

Рис. 10. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) 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 включенном состоянии.

Схематичный разрез структуры IGBT показан на рис. 7, б. Биполярный транзистор образован слоями p⁺ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой — слоями n (исток), n⁺ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p⁺ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления.

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и стоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n-канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом полевой транзистор управляет работой биполярного.

IGBT-модули. Транзисторы IGBT в настоящее время выпускаются как в таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением (фирма "Toshiba"), так и в прямоугольных корпусах с односторонним охлаждением (фирмы "Mitsubishi", "Siemens", "Semikron" и др.). Типовая конструкция модуля в прямоугольном корпусе показана на рис. 9. В одном корпусе могут располагаться несколько транзисторов и диодов. Наиболее распространенные схемы соединений IGBT-модулей приведены на рис. 10. Подобные модули позволяют свести к минимуму количество соединений полупроводниковых элементов в преобразователях и тем самым повысить надежность и облегчить монтаж.

Рис. 11. Типовая конструкция IGBT-модуля:

1 — медное основание; 2 — металлокерамическая плата; 3 — кристаллы транзисторов и диодов; 4 — алюминиевые выводы; 5 — пластмассовый вывод; 6 — клей-герметик; 7 — гельсилоксановый компаунд; 6 — эпоксидный компаунд; 9 — крышка; 10 — силовые выводы; 11 — управляющие выводы; 12 — гайка

Рис. 10. Распространенные схемы соединения элементов IGВТ-модулей