Утепленные ворота: Теплые ворота для гаража в Москве

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Содержание

IGBT » Electronics Notes

IGBT используются для многих силовых переключений и других силовых приложений, и они представляют собой объединение технологий полевых транзисторов и биполярных транзисторов.

Полевые транзисторы, полевые транзисторы Включает:
Основные сведения о полевых транзисторах Технические характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Мощный МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор ХЕМТ И ФЕМТ Технология FinFET БТИЗ Карбид кремния, SiC MOSFET GaN FET / HEMT

Биполярные транзисторы с изолированным затвором или IGBT представляют собой форму дискретных полупроводниковых устройств, которые обычно используются для силовых приложений: источники питания, силовые переключатели и т. д.

Преимущество IGBT-транзисторов состоит в том, что они сочетают в себе многие характеристики МОП-транзисторов и биполярных транзисторов, обеспечивая возможность обработки высокого напряжения и тока биполярных транзисторов с высокой скоростью переключения и низким током затвора мощных МОП-транзисторов.

Типовое дискретное полупроводниковое устройство IGBT

Потребность в биполярных транзисторах с изолированным затвором, IGBT, возникла из-за того, что как МОП-транзисторы, так и транзисторы с биполярным переходом, BJT, имеют свои ограничения, особенно когда речь идет о сильноточных приложениях.

Соответственно, изобретение IGBT-транзистора позволило объединить преимущества обоих типов устройств в одном полупроводниковом устройстве.

IGBT также упоминается под несколькими другими названиями, включая: и IGT: транзистор с изолированным затвором, IGR: выпрямитель с изолированным затвором, COMFET: полевой транзистор с модуляцией проводимости, GEMFET: МОП-транзистор с улучшенным коэффициентом усиления, BiFET: биполярный полевой транзистор и инжекторный полевой транзистор.

История и развитие БТИЗ

Эта форма полупроводникового устройства была впервые продемонстрирована в 1979 году исследователем по имени Балига, а затем в 1980 году Пламмером и Шарфом, а также Лейпольдом, а затем Тиханьи.

Эти первоначальные результаты были затем расширены пару лет спустя, в 1982 году, Бекке и Уитли, а также Балига.

Хотя первоначальная концепция была установлена, устройство не использовалось в коммерческих целях в электронных схемах до конца 19 века.80-е годы. По прошествии этого времени технология не только улучшилась, но и ее использование увеличилось, поскольку технология стала более устоявшейся, и инженеры увидели, как эти устройства можно использовать в своих электронных конструкциях для переключения питания и других приложений питания.

символ цепи IGBT

Как и следовало ожидать, символ схемы для биполярного транзистора с изолированным затвором, IGBT сочетает в себе биполярный транзистор и полевой МОП-транзистор.

Символ схемы IGBT

Из символа схемы видно, что IGBT имеет три вывода: коллектор, эмиттер и затвор, а устройства, из представления символа схемы, имеют основной ток, протекающий между коллектором и эмиттером, аналогичный протеканию биполярного транзистора.

а управляющая клемма представляет собой затвор, аналогичный затвору полевого МОП-транзистора.

IGBT, биполярный транзистор с изолированным затвором, основы

IGBT

имеют три вывода, как и полевые МОП-транзисторы с одним затвором и биполярные транзисторы, но внутри они состоят из четырех слоев полупроводника чередующихся P и N типов.

Устройство является однонаправленным, в отличие от силового полевого МОП-транзистора, который является двунаправленным, и хотя структура IGBT кажется такой же, как у тиристора с МОП-затвором, действие тиристора подавляется, и происходит только действие транзистора.

БТИЗ рассчитан на быстрое отключение, поэтому его часто используют для создания сигналов с широтно-импульсной модуляцией. При использовании с фильтрами нижних частот это позволяет этим устройствам управлять потоком мощности на различные формы нагрузки.

Сравнение IGBT, мощных полевых МОП-транзисторов и мощных биполярных транзисторов
Характеристика	БТИЗ	Силовой МОП-транзистор	Мощность биполярная
Текущий рейтинг	Высокий	Низкий	Высокий
Номинальное напряжение	Очень высокий	Высокий	Высокий
Скорость переключения	Средний	Быстро	Медленный
Входное сопротивление	Высокий	Высокий	Низкий
Выходное сопротивление	Низкий	Средний	Низкий

Преимущества и недостатки IGBT

Как и следовало ожидать, IGBT имеют ряд преимуществ и недостатков по сравнению с другими полупроводниковыми устройствами, такими как биполярный транзистор или мощный полевой МОП-транзистор, и их необходимо тщательно сбалансировать при рассмотрении возможности их использования в электронной конструкции.

Преимущества IGBT

Обладает высокими характеристиками по напряжению и току по сравнению с биполярным транзистором или мощным MOSFET
Обычно они не фиксируются так, как тиристоры
Может переключать высокие уровни тока с помощью низкого управляющего напряжения
IGBT имеет очень низкое сопротивление во включенном состоянии, что идеально подходит для многих приложений переключения мощности
Обладает очень высоким входным сопротивлением
Управляется напряжением (как МОП-транзистор), поэтому для переключения высоких уровней тока требуется очень небольшой ток

Сигналы управления затвором просты в реализации и не требуют сложной схемы. Простое положительное напряжение для включения IGBT и ноль для его выключения
Высокая плотность тока и, следовательно, малый фактический размер кремниевой микросхемы, а это означает меньшие размеры корпусов для данного уровня тока
Более высокий коэффициент усиления по мощности, чем у биполярного транзистора или полевого МОП-транзистора
IGBT имеет более высокую скорость переключения по сравнению с биполярным транзистором
Они демонстрируют более низкое отношение емкости затвор-коллектор к емкости затвор-эмиттер, чем конкурирующие устройства, и это приводит к улучшенным характеристикам эффекта обратной связи Миллера — в результате они переключаются быстрее, чем биполярные транзисторы

Недостатки IGBT

Однонаправленный — не может работать на переменном токе без дополнительной схемы
Обладает более низкой скоростью переключения, чем MOSFET

Не удается заблокировать высокое обратное напряжение
Могут возникать проблемы с фиксацией из-за структуры PNPN, которая имеет тиристорную структуру внутри устройства, хотя уровни легирования должны подавлять действие тиристора
Дороже, чем биполярный транзистор или мощный МОП-транзистор

Это некоторые из наиболее очевидных преимуществ и недостатков использования IGBT, но могут быть и другие соображения при изучении возможности их использования для конкретной электронной конструкции.

Благодаря своим преимуществам IGBT популярны во многих коммутационных устройствах средней мощности. Их можно использовать с переменным током, но для обеспечения двунаправленной работы им требуются дополнительные схемы.

Для двунаправленной работы IGBT обычно требуется два устройства с противоположной полярностью, чтобы обеспечить возможность согласования обеих половин цикла: эти схемы идеально подходят для силового переключения и других силовых приложений.

Применение БТИЗ

Биполярный транзистор IGBT с изолированным затвором используется во многих силовых приложениях.

Эти полупроводниковые устройства очень полезны для многих электронных схем, потому что они пересекают границы между технологией биполярных транзисторов и мощными полевыми транзисторами. Это означает, что они используются в различных силовых установках:

Различные формы управления двигателем и тягой
Импульсные источники питания
Преобразователи постоянного тока в переменный
Широтно-импульсная модуляция для различных арен

Электроприводы переменного и постоянного тока
Управление различными формами индуктивной нагрузки

Типовое дискретное полупроводниковое устройство IGBT

Физическая структура IGBT

Структура IGBT представляет собой относительно сложный полупроводниковый прибор по сравнению с базовым биполярным транзистором или полевым МОП-транзистором.

IGBT использует оба типа носителей, то есть дырки и электроны, для работы полупроводникового устройства.

Вход напоминает полевой МОП-транзистор и обеспечивает высокое входное сопротивление и рабочее напряжение для устройства, а выход напоминает выход биполярного транзистора.

На самом деле устройство можно рассматривать как тиристор с MOSFET-транзистором на входе, точнее, этот входной элемент представляет собой устройство DMOS.

Это видно из эквивалентной схемы IGBT.

Эквивалентная схема IGBT

В этой эквивалентной схеме видны различные компоненты. Вход представляет собой полевой МОП-транзистор, а на его выходе — сопротивление Rd, которое представляет собой сопротивление области дрейфа. TR2 — это паразитный NPN-транзистор, который фактически присутствует в любом MOSFET и, следовательно, во всех IGBT.

Область корпуса устройства имеет определенное сопротивление, которое обозначается Rb.

Два транзистора, TR1 и TR2, образуют паразитную тиристорную структуру. Действие тиристора подавляется путем обеспечения таких уровней легирования, чтобы общий коэффициент усиления был меньше единицы. Если NPN-транзистор TR2 когда-либо включается, а коэффициенты усиления TR1 и TR2 превышают единицу, происходит защелкивание. Однако проблемы с защелкиванием обычно удается избежать благодаря структуре устройства и уровням легирования.

Используя эту структуру, можно достичь низкого напряжения насыщения, аналогичного низкому сопротивлению в открытом состоянии, обеспечиваемому полевыми МОП-транзисторами, при сохранении относительно быстрой характеристики переключения.

Хотя характеристики переключения относительно быстрые, следует помнить, что они все же уступают характеристикам мощного MOSFET.

Фактическая физическая структура IGBT состоит из четырех слоев, и хотя точная используемая структура будет меняться от одного производителя к другому или даже от разных линеек одного и того же производителя, основные принципы останутся неизменными. Область N+ вокруг эмиттера присутствует не во всех этих полупроводниковых устройствах, как подробно описано ниже в разделе, описывающем различные типы IGBT

Физическая структура вертикального N-канального IGBT

Из структуры видно, что он во многом похож на тиристор, в частности, на управляемый МОП-транзистор, но работает совершенно по-другому.

В структуре, показанной выше, есть несколько областей, каждая из которых выполняет различные функции в рамках всего устройства.

Область подачи подложки P+: Это ближайший к коллектору слой, который часто называют областью подачи. Это низкоомная подложка.
Область дрейфа N-: Над подложкой P+ присутствует область материала N-. Это известно как область дрейфа. Толщина этой области определяет блокирующую способность IGBT, и эта область обычно может иметь толщину около 50 мкм и быть слегка легированной с уровнем легирования, возможно, около 10 ¹⁴ см ^-3 .
Слой P+, область корпуса: Он состоит из слоя P+ и во многих БТИЗ находится ближе всего к эмиттеру.
Слой N+ в области корпуса: В некоторых БТИЗ есть слой N+, ближайший к эмиттеру.

Как и тиристор, БТИЗ обычно изготавливают с использованием кремния, так как он обеспечивает хорошую теплопроводность и позволяет пробивать при высоком напряжении.

Обычно устройства изготавливаются в виде отдельных дискретных элементов, поскольку изготовление нескольких устройств на одном кристалле часто приводит к поломке.

Хотя вертикальная структура была показана выше, также возможно использовать структуру материала для IGBT, как показано ниже. Это менее распространено, но все же используется.

N-канальный IGBT — боковая структура

Наиболее распространенным форматом для IGBT является N-канальный, хотя возможно изготовление дополнительных устройств с использованием P-канала. Они имеют противоположные типы легирования и работают с обратной полярностью напряжения.

Чаще всего используются термины затвор, коллектор и эмиттер, хотя широко используются затвор, анод, катод, а иногда можно увидеть сток затвор-исток.

Типы БТИЗ

Транзистор

IGBT можно классифицировать двумя основными способами в зависимости от того, имеют ли они буферный слой N+ в P-слое, ближайшем к эмиттерному электроду.

В зависимости от того, имеют ли они N+, позже они упоминаются либо как сквозные IGBT, либо как непробочные IGBT.

Проходные IGBT, PT-IGBT: Проходные IGBT, PT-IGBT имеют область N+ у эмиттерного контакта. Из-за структуры PT-IGBT иногда называют асимметричными IGBT
БТИЗ без пробивки, NPT-IGBT : БТИЗ без пробивки не имеют дополнительной области N+ у эмиттерного контакта. Благодаря структуре NPT-IGBT их также называют симметричными IGBT.

БТИЗ PT и NPT имеют ряд различных свойств, обусловленных их структурой.

Хотя различия не всегда очень значительны, выбор типа NPT IGBT или PT IGBT может существенно повлиять на конструкцию схемы.

Потери при переключении: Для заданного V _CE(on) PT IGBT будет иметь более высокую скорость переключения и, соответственно, меньшую общую энергию переключения. Это происходит из-за более высокого коэффициента усиления и уменьшения времени жизни неосновных носителей, что снижает хвостовой ток.
Надежность : Одна из важных проблем — устойчивость к току короткого замыкания. Обычно NPT IGBT рассчитаны на короткое замыкание, а PT IGBT — нет.
В целом, технология NPT более надежна и надежна благодаря более широкой базе и меньшему коэффициенту усиления биполярного транзистора PNP внутри конструкции. Это главное преимущество полупроводникового устройства NPT, хотя его необходимо компенсировать скоростью переключения.
Что касается максимальных напряжений, то трудно изготовить PT-IGBT с напряжением коллектор-эмиттер больше примерно 600 вольт, в то время как это легко достигается при использовании топологий NPT. Это может повлиять на выбор полупроводникового устройства для любой данной электронной конструкции.
Влияние температуры : Для PT и NPT IGBT скорость включения практически не зависит от температуры. Однако один эффект, который может повлиять на любую конструкцию схемы, заключается в том, что обратный ток восстановления в диоде увеличивается с температурой, и, таким образом, влияние внешнего диода может повлиять на потери при включении в схеме.
Что касается потерь при выключении, то для устройств NPT скорость и потери при переключении остаются почти постоянными во всем диапазоне температур. Для PT IGBT снижается скорость выключения и, следовательно, увеличиваются коммутационные потери. Однако потери обычно в любом случае невелики, и поэтому маловероятно, что они окажут какое-либо заметное влияние на большинство электронных конструкций.

В любой конструкции электронной схемы необходимо сбалансировать преимущества и характеристики обоих типов IGBT. Конкретная электронная конструкция будет диктовать многие требования к устройству, и, следовательно, выбор типа устройства будет исходить из этого.

Характеристики БТИЗ

IGBT — это устройство, управляемое напряжением, что неудивительно, поскольку вход представляет собой изолированный затвор, где напряжение управляет проводимостью.

Полупроводниковому устройству требуется только относительно небольшое напряжение на затворе, чтобы обеспечить проводимость — часто 6-10 вольт. Однако эти полупроводниковые устройства являются только однонаправленными, и поэтому они могут управлять током только в одном направлении.

Легко построить передаточную характеристику, показывающую зависимость входного напряжения или напряжения затвора от тока коллектора.

Передаточная характеристика типичного IGBT

Существуют различные состояния устройства. Первоначально, когда на затвор не подается напряжение или разность потенциалов, устройство IGBT находится в состоянии «выключено» и ток не течет.

Однако по мере роста потенциала на клемме затвора он в конечном итоге достигает точки, в которой пороговое напряжение превышено. В этот момент устройство начнет проводить ток, и между коллектором и эмиттером в цепи начнет течь ток.

Глядя на характеристики выхода полупроводникового прибора IGBT, можно выделить три различных области его работы в зависимости от напряжения затвор-эмиттер, В _GE

В _GE = 0: В этой области полупроводниковый прибор находится в состоянии «ВЫКЛ», и ток между коллектором и эмиттером отсутствует.
0 < V _GE < порог: Как V _GE начинает расти, виден небольшой ток утечки, но устройство все еще не находится в проводящем состоянии.
В _GE > порог: После достижения порогового напряжения устройство переходит в состояние проводимости с полупроводниковым устройством в его активной области. Ток, который может протекать через устройство, зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Выходная характеристика типичного IGBT

Обычно IGBT переключаются между полностью выключенным и полностью включенным состояниями. Они используются при переключении питания: источниках питания, широтно-импульсной модуляции и т. д. Низкое сопротивление «включено» снижает уровень рассеивания мощности в любой ситуации с электронным дизайном.

БТИЗ корпуса

IGBT можно купить в различных форматах. Они доступны в виде стандартных полупроводниковых устройств, часто в корпусах типа TO247, TO220 и т. д. или аналогичных, а также в корпусах для поверхностного монтажа, таких как SC-74, SOT-457 и многих других. Ввиду больших коммутационных возможностей многих устройств IGBT они, как правило, поставляются в более крупных корпусах.

IGBT также доступны в модульном формате. Эти модули IGBT представляют собой сборку или модуль, содержащий несколько устройств IGBT. Они могут быть подключены в одной из нескольких конфигураций, таких как полумост, 3-уровневый, двойной, прерыватель, бустер и т. д.

Использование модуля позволяет установить предварительно разработанный элемент в более крупную электронную конструкцию для обеспечения функции без необходимости разработки отдельных электронных схем. Они также могут быть более рентабельными, поскольку производители модулей могут производить их массово.

IGBT, биполярные транзисторы с изолированным затвором, являются дополнительным компонентом для электронных схем многих энергосистем. Обладая свойствами, которые сочетают в себе некоторые аспекты как биполярных транзисторов, так и полевых МОП-транзисторов, они способны заполнить нишу в инструментарии разработчиков электронных схем, которую не может обеспечить ни один другой компонент.

Другие электронные компоненты:
Батарейки конденсаторы Соединители Диоды полевой транзистор Индукторы Типы памяти Фототранзистор Кристаллы кварца Реле Резисторы ВЧ-разъемы Переключатели Технология поверхностного монтажа Тиристор Трансформеры Транзистор Клапаны/трубки
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Эта страница частично использует JavaScript. Эта страница может работать неправильно, если эти функции не поддерживаются вашим браузером или настройка отключена.
Пожалуйста, ищите необходимую информацию на следующих страницах:

IGBT — это устройство, подходящее для управления большими токами, сочетающее управляемый напряжением полевой МОП-транзистор в передней ступени и транзистор, обеспечивающий протекание большого тока в задней ступени.

IGBT: биполярный транзистор с изолированным затвором

[Эквивалентная схема и подробности работы]

Эквивалентная схема IGBT показана на рис. 3-13 (b). Значение RBE устанавливается таким образом, чтобы NPN Tr не включался.