Главная » Статьи » Силовая электроника

Основы биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT)

Введение в IGBT

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT) являются полупроводниковыми приборами, принцип работы которых основан на использовании неосновных носителей заряда. Конструкция IGBT предназначена для применений с большими величинами токов между выводами. Многие разработчики считают их приборами с входными характеристиками, соответствующим полевым (МОП или MOS) приборам и с выходными характеристиками, соответствующими биполярным приборам, то есть считают IGBT биполярным прибором, управляемым напряжением. Таким образом, можно считать, что IGBT созданы для того, чтобы использовать преимущества полевых МОП-транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов (BJT). БТИЗ (IGBT) - это функциональная интеграция силового МОП полевого транзистора и биполярного транзистора в одном кристалле. Они объединяют лучшие характеристики обоих типов приборов для достижения оптимальных характеристик [1].

БТИЗ (IGBT) подходят для огромного количества применений в силовой электроники, особенно в серво и трехфазных приводах с широтно импульсной модуляцией (ШИМ, pulse width modulation - PWM), требующих высокой динамики управления скоростью и низкого шума. Эти приборы так же могут применяться в источниках бесперебойного питания (ИБП, Uninterruptable Power Supply - UPS), импульсных источниках питания и в других силовых цепях, требующих высоких скоростей повторения переключений. БТИЗ (IGBT) улучшают динамические характеристики и коэффициент полезного действия и снижают уровень звукового шума. Они так же подходят для резонансных силовых преобразовательных цепей. Возможна оптимизация БТИЗ (IGBT) как для достижения низких потерь переключения, так и низких потерь проводимости.

Основными преимуществами IGBT перед силовыми полевыми МОП-транзисторами (Power MOSFET) и биполярными транзисторами (BJT) являются:

1. Очень низкое падение напряжения и очень высокая плотность тока во включенном состоянии благодаря модуляции проводимости. Таким образом становится возможным использовать меньший по размерам кристалл и соответственно снизить его стоимость.

2. Низкая мощность управляющего сигнала и простая цепь управления благодаря входной МОП-структуре затвора. БТИЗ (IGBT) намного легче управлять по сравнению с приборами, управляемыми током (тиристоры и биполярные транзисторы) в применениях с высокими напряжениями и токами.

3. Широкая область безопасной работы (SOA - Safe Operating Area). Эти приборы имеют великолепную проводимость по сравнению с биполярным транзистором, так же они обладают великолепными прямой и обратной запирающей характеристиками.

Основными недостатками являются:

1. Скорость переключения снижена по сравнению с силовыми полевыми МОП-транзисторами (Power MOSFET), но выше чем у биполярных транзисторов. Остаточный ток коллектора из-за неосновных носителей приводит к низкой скорости выключения.

2. Существует возможность блокировки из-за того, что в структуре БТИЗ (IGBT) имеется "внутренний" тиристор с PNPN структурой.

IGBT подходят для масштабирования запирающего напряжения. В случае силовых МОП-транзисторов сопротивление проводимости растет быстро с увеличением напряжения пробоя из-за увеличения сопротивления и толщины зоны дрейфа, требуемой для работы с высоким напряжением. Из-за этого разработка силовых МОП-транзисторов с высоким запирающим напряжением становится затруднительной. В противоположность этому, в БТИЗ (IGBT) сопротивление зоны дрейфа сильно снижается благодаря высокой концентрации инжектированных неосновных носителей заряда за время включенного состояния. Прямое падение напряжения на зоне дрейфа зависит от ее толщины и не зависит от ее исходной проводимости. 

Структура IGBT

Структура типичного IGBT с n-каналом, построенного по ДМОП-технологии (диффузионная МОП-структура, DMOS), показана на Рисунке 1. Это одна из нескольких возможных для БТИЗ (IGBT) структур. Это очевидно, что сечение кристалла IGBT почти идентично сечению вертикального силового полевого МОП-транзистора (Power MOSFET) за исключением инжекционного слоя P+. БТИЗ (IGBT) имеет затвор аналогичный МОП структуре с P-зоной и зоной N+. Слой N+ сверху  является истоком или эмиттером, а слой P+ внизу является стоком или коллектором. Так же возможно изготовление БТИЗ (IGBT) с P-каналом, для которого проводимость соответствующих областей будет обратной. БТИЗ (IGBT) имеет паразитный тиристор, включающий в себя структуру из 4 слоев NPNP. Включение этого тиристора является нежелательным.

Структура БТИЗ (IGBT)

Рисунок 1: Схема N-канального БТИЗ (IGBT) [1]

Некоторые IGBT изготавливаются без буферного слоя N+ и называются нетуннельными (non-punch through, NPT) БТИЗ (IGBT), в то время как БТИЗ (IGBT) с буферным слоем N+ называются туннельными (punch-through. PT). Наличие этого буферного слоя может существенно улучшить характеристики прибора, если концентрация примеси и толщина этого слоя выбраны правильно. Не смотря на физическую схожесть, принцип действия БТИЗ (IGBT) ближе к работе биполярного транзистора, чем к силовому полевому МОП-транзистору (Power MOSFET). Это имеет место из-за стока P+ (инжекционного слоя), который обеспечивает инжекцию неосновных частиц в зону дрейфа N- и в результате модулирует проводимость.

Эквивалентная схема БТИЗ (IGBT)

Рисунок 2: Эквивалентная модель цепи БТИЗ (IGBT) [1]

Исходя из структуры БТИЗ (IGBT) можно получить эквивалентную модель цепи БТИЗ, изображенную на Рисунке 2. Эта модель содержит полевой МОП-транзистор (MOSFET), полевой транзистор с p-n переходом в затворе (JFET), npn- и pnp- транзисторы. Коллектор pnp-транзистора соединен с базой npn-транзистора и коллектор npn-транзистора соединен с базой pnp-транзистора через полевой транзистор с p-n переходом в затворе (JFET). pnp- и npn-транзисторы представляют паразитный тиристор, который составляет регенеративную цепь обратной связи. Резистор RB представляет подтяжку база-эмиттер npn-транзистора для того, чтобы обеспечить незаблокированное состояние тиристора, которое приведет к блокировке БТИЗ (IGBT). Полевой транзистор с p-n переходом в затворе (JFET) представляет ограничение тока между двумя соседними ячейками БТИЗ (IGBT). Именно полевой транзистор с p-n переходом в затворе (JFET) принимает на себя большую часть напряжения и дает возможность иметь в структуре низковольтный полевой МОП-транзистор (MOSFET), имеющий низкое значение RDS(on). Символ для обозначения БТИЗ (IGBT) показан на Рисунке 3. IGBT имеет 3 вывода, называемых Коллектор (С), Затвор (G) и Эмиттер (E).

Обозначение БТИЗ (IGBT) в электрических схемах

Рисунок 3: Символ обозначения БТИЗ (IGBT)

Применяются как туннельные (PT) так и нетуннельные (NPT) БТИЗ (IGBT). Физическая конструкция и того и другого показана на Рисунке 4. Как упоминалось ранее, туннельная (РТ) структура имеет дополнительный буферный слой, который выполняет две основные функции: (i) исключает выход из строя из-за расширения обедненной зоны при приложении высокого напряжения благодаря туннелированию через этот слой, (ii) снижает остаточный ток при выключении и укорачивает время выключения БТИЗ (IGBT), поскольку дырки, инжектируемые P+ коллектором частично рекомбинируются в этом слое. Нетуннельные БТИЗ (NPT IGBT) имеют эквивалентное прямое и обратное напряжение пробоя подходят для применений в задачах переменного тока. туннельные БТИЗ (PT IGBT) имеют меньшее обратное напряжение пробоя чем прямое напряжение пробоя и больше подходят для цепей постоянного тока, в которых приборы не подвергаются воздействию обратного напряжения.

Конструкция туннельных и нетуннельных БТИЗ (IGBT)

Рисунок 4: Структура (а) нетуннельного БТИЗ (NPT IGBT) и (b) теннельного БТИЗ (PT IGBT) [1]

Таблица 1: Сравнение характеристик нетуннельных (NPT) и туннельных (PT) БТИЗ (IGBT)

  Нетуннельные (NPT) Туннельные (PT)
Потери переключения

Средние

Длительный остаточный ток небольшой амплитуды. Небольшой рост Eoff с ростом температуры

Низкие

Короткий остаточный ток. Сильный рост Eoff с ростом температуры

Потери проводимости

Средние 

Растут с увеличением температуры

Низкие

Не меняются или немного снижаются при температуре

Параллельная работа

Простая

Не требует отбора, рекомендуется общий теплоотвод

Сложная

Кристаллы должны быть отобраны по VCE(on)

Работа при коротком замыкании Да

Ограниченно

Высокий коэффициент усиления

Литература:

1. Винод Кумар Ханна (Vinod Kumar Khanna) "Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT): Теория и Конструкция" (“Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT): Theory and Design”Издательство IEEE Wiley-Interscience

Категория: Силовая электроника | Добавил: RUSI0 (15.03.2015)
Просмотров: 2072 | Теги: БИТЗ, MOSFET, МОП, IGBT | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
avatar