Биполярный транзистор с изолированным затвором

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «БТИЗ»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
Условное графическое обозначение БТИЗ

Биполя́рный транзи́стор с изоли́рованным затво́ром (БТИЗ, англ. insulated-gate bipolar transistor, IGBT) — трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления)[1].

Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами➤.

Каскадное включение транзисторов двух типов позволяет сочетать их достоинства в одном приборе: выходные характеристики биполярного (большое допустимое рабочее напряжение, а также тепловые потери, пропорциональные току, а не квадрату тока, как у полевых) и входные характеристики полевого (минимальные затраты на управление).

Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного[2][3].

Выпускаются как отдельные приборы БТИЗ, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

История

[править | править код]

До 1990-х годов в качестве силовых полупроводниковых приборов, помимо тиристоров, использовались биполярные транзисторы. Их эффективность была ограничена несколькими недостатками:

  • необходимость большого тока базы для включения;
  • относительно медленный процесс запирания, поскольку ток коллектора не спадает мгновенно после отключения тока управления в базе — во время запирания имеется относительно небольшое сопротивление в цепи коллектора при большом токе, что вызывает нагрев транзистора;
  • зависимость параметров от температуры;
  • падение напряжения между коллектором и эмиттером в режиме насыщения ограничивает минимальное коммутируемое напряжение.

С появлением полевых транзисторов, выполненных по технологии МОП (англ. MOSFET), ситуация изменилась. В отличие от биполярных, полевые транзисторы:

  • управляются не током, а напряжением;
  • их параметры не так сильно зависят от температуры;
  • их рабочее напряжение теоретически не имеет нижнего предела благодаря использованию многоячеистых СБИС;
  • имеют низкое сопротивление канала (менее миллиома);
  • могут работать в широком диапазоне токов (от миллиампер до сотен ампер);
  • имеют высокую частоту переключения (сотни килогерц и больше);
  • высокие рабочие напряжения при больших линейных и нагрузочных изменениях, тяжёлых рабочих циклах и низких выходных мощностях.
Схематичное изображение внутренней структуры отечественного БТИЗ

Полевые МОП-транзисторы легко управляются, что свойственно транзисторам с изолированным затвором, и имеют встроенный диод утечки для ограничения случайных бросков тока. Типичные применения этих транзисторов — импульсные преобразователи напряжения с высокими рабочими частотами, аудиоусилители (так называемого класса D).

Схематичное изображение внутренней структуры зарубежных IGBT

Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР в НИИ «Пульсар» (разработчик — В. В. Бачурин) в 1973 году, а их ключевые свойства исследованы в Смоленском филиале МЭИ (научный руководитель — В. П. Дьяконов)[4]. В процессе этих работ в 1977 году был предложен составной транзистор, в котором мощный биполярный транзистор управляется посредством полевого транзистора с изолированным затвором. Было показано, что выходные токи и напряжения составных структур определяются биполярным транзистором, а входные — полевым. При этом биполярный транзистор в ключе на основе составного транзистора не насыщается, при этом не происходит накопление неосновных носителей в базовом слое биполярной структуры, что существенно уменьшает задержку при выключении[5] и обуславливает преимущества таких приборов при использовании в качестве силовых ключей[6]. На такой полупроводниковый прибор, названный авторами «побистором», получено авторское свидетельство СССР № 757051. Он выполнен в виде единой структуры, содержащей мощный биполярный транзистор, на поверхности которого создан полевой транзистор с V-образным изолированным затвором[7].

Первый промышленный образец БТИЗ был запатентован International Rectifier в 1983 году. Позднее, в 1985 году, был разработан БТИЗ с полностью планарной структурой (без V-канала) и более высокими рабочими напряжениями. Это произошло почти одновременно в лабораториях фирм General Electric (Скенектади, штат Нью-Йорк) и RCA (Принстон, штат Нью-Джерси). В 1990-е годы было принято название для таких приборов IGBT (БТИЗ). Первые БТИЗ не получили широкого распространения из-за существенных недостатков — медленного переключения, низкой надёжности и возможного перехода в тиристорный режим из-за существующего в полупроводниковой структуре слоёв прибора паразитного транзистора. Второе (появилось в 1990-е годы) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавлено от этих недостатков.

Достоинства

[править | править код]
Семейство вольтамперных характеристик IGBT

БТИЗ сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

  • высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от полевых транзисторов с изолированным затвором;
  • малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
  • характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
  • управление как у MOSFET — напряжением.

Диапазон использования — от десятков до 1200 ампер по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению. В диапазоне токов до десятков ампер и напряжений до примерно 500 В целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением.

Применение

[править | править код]
Сборка на IGB-транзисторах для коммутации напряжения до 3300 В и тока до 1200 А

Основное применение БТИЗ — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

БТИЗ широко применяются в инверторных источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе электрическом транспорте (после распространения асинхронных тяговых электродвигателей вместо ТЭД постоянного тока).

Применение IGBT-модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет, по сравнению с тиристорными устройствами, обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

БТИЗ применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт). IGB-транзисторы используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее 20 кГц), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота — до 50 кГц).

IGBT и MOSFET занимают диапазон средних мощностей и частот, частично «перекрывая» друг друга. В общем случае, для высокочастотных низковольтных каскадов наиболее подходят МОП, а для высоковольтных мощных — БТИЗ.

В некоторых случаях БТИЗ и МОП-транзисторы полностью взаимозаменяемы, цоколёвка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12—15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения, как запираемый тиристор. Но «управляемый напряжением» не означает, что при переключении БТИЗ в цепи затвора отсутствует ток. Затвор БТИЗ (как и МОП-транзистора) для управляющей схемы эквивалентно является конденсатором с ёмкостью, достигающей единиц нанофарад (для мощных приборов), что определяет импульсный характер тока затвора. Драйвер затвора должен быть способным быстро перезаряжать эту ёмкость, чтобы обеспечить быстрое переключение транзистора.

См. также

[править | править код]

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ Рогачёв К. Д. Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) Архивная копия от 28 сентября 2016 на Wayback Machine // «Рынок Микроэлектроники»
  2. ↑ Потапов Л. А. IGBT транзисторы Архивная копия от 11 января 2018 на Wayback Machine // «Школа для Электрика»
  3. ↑ Беликов О. В. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). — Новосибирский государственный университет, 2008. Архивировано 10 сентября 2016 года.
  4. ↑ Дьяконов В. П. и др. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. — М.: СОЛОН-Пресс, 2002. — 512 с.
  5. ↑ Дьяконов В. П. и др. Статические вольт-амперные характеристики ненасыщающихся составных транзисторов на биполярных и полевых транзисторах // Известия вузов. Приборостроение. — 1980. — № 4. — С. 6.
  6. ↑ Дьяконов В. П. и др. Сильноточные не насыщающиеся ключи на составных транзисторах // Электронная промышленность. — 1981. — № 2. — С. 56.
  7. ↑ Дьяконов В. П. Побистор или IGBT и имитационное моделирование устройств на них // Силовая Электроника. — 2010. — № 5. — С. 24—32. Архивировано 1 октября 2015 года.

Ссылки

[править | править код]
Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Биполярный_транзистор_с_изолированным_затвором&oldid=140476470