Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) — трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (BJT) (образующий силовой канал) и полевой (MOSFET), образующий канал управления. Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного.

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и обычного биполярного транзистора транзистора , он имеет преимущества как транзисторов, так и MOSFET. MOSFET имеет преимущества высокой скорости переключения с высоким импедансом, а BJT, с другой стороны, имеет преимущество высокого коэффициента усиления и низкого напряжения насыщения, и оба этих преимущества присутствуют в IGBT-транзисторе. По сути, IGBT — это полупроводник, управляемый напряжением , который обеспечивает большие токи коллектор-эмиттер при почти нулевом токе затвора.

Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами. Выпускаются как отдельные приборы IGBT, так и силовые сборки (модули) на их основе.

Эквивалентная схема и обозначение IGBT

На рисунке ниже показана эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором. Такая же структура схемы используется в транзисторе Дарлингтона, где два транзистора соединены точно таким же образом.

Как мы видим на изображении, IGBT сочетает в себе два устройства: N-канальный MOSFET и PNP-транзистор . N-канальный МОП-транзистор управляет PNP-транзистором. Стандартная распиновка BJT включает коллектор, эмиттер, базу, а стандартная распиновка MOSFET (МОП) включает затвор, сток и исток. Но в случае выводов транзистора IGBT это затвор, который поступает от N-канального МОП-транзистора, а коллектор и эмиттер - от PNP-транзистора.

В PNP-транзисторе коллектор и эмиттер представляют собой путь проводимости, и когда IGBT включен через него проходит ток. Этот путь контролируется N-канальным МОП-транзистором.

В случае биполярного транзистора мы рассчитываем коэффициент усиления, обозначаемый как Бета (β), путем деления выходного тока на входной ток.

Но, как мы знаем, МОП-транзистор не является устройством, управляемым током; это устройство, управляемое напряжением, входной ток через затвор МОП-транзистора отсутствует. Таким образом, та же формула, которая применяется для расчета коэффициента усиления биполярных транзисторов, неприменима для технологии MOSFET. Затвор МОП-транзистора изолирован от пути проводимости тока. Напряжение затвора МОП-транзистора изменило проводимость выходного тока. Таким образом, коэффициент усиления представляет собой соотношение изменений выходного напряжения с изменениями входного напряжения. Это справедливо для IGBT. Коэффициент усиления IGBT — это отношение изменения выходного тока к изменению напряжения на входном затворе .

Из-за больших токов большой ток биполярного транзистора контролируется напряжением затвора MOSFET.

На изображении выше показано обозначение IGBT-транзистора на схемах. Как мы видим, его обозначение включает в себя часть коллектор-эмиттер транзистора и часть затвора МОП-транзистора. Три клеммы показаны как затвор, коллектор и эмиттер.

В проводящем или включенном режиме ток течет от коллектора к эмиттеру. То же самое происходит и с биполярным транзистором. Но в случае с IGBT вместо базы стоит Gate. Разница между напряжением затвор-эмиттер называется Vge, а разница напряжений между коллектором и эмиттером называется Vce .

Ток эмиттера (Ie) почти такой же, как ток коллектора (Ic) , Ie = Ic . Поскольку ток в коллекторе и эмиттере относительно одинаков, Vce очень мало.

Применение IGBT транзисторов

IGBT в основном используется в приложениях, связанных с энергетикой. Стандартные силовые биполярные транзисторы имеют очень медленный отклик, тогда как MOSFET подходят для приложений с быстрым переключением, но MOSFET является дорогостоящим выбором, когда требуется более высокий номинальный ток. Поэтому IGBT подходит для замены силовых биполярных транзисторов и силовых MOSFET .

Кроме того, IGBT обеспечивает более низкое сопротивление в открытом состоянии по сравнению с биполярным транзистором, и благодаря этому свойству IGBT является термоэффективным в приложениях, связанных с высокой мощностью.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором находят очень широкое применение в современной электронике. Благодаря низкому сопротивлению в открытом состоянии, очень высокому номинальному току, высокой скорости переключения, приводу с нулевым затвором, IGBT используются в системах управления мощными двигателями, инверторах, импульсных источниках питания с высокочастотными областями преобразования.

На изображении выше показано использование IGBT транзистора для переключения. RL — это резистивная нагрузка, подключенная между эмиттером IGBT и землей. Разность напряжений на нагрузке обозначается как VRL. Нагрузка также может быть индуктивной. А с правой стороны показана другая схема. Нагрузка подключается через коллектор, а резистор токовой защиты подключается к эмиттеру. В обоих случаях ток будет течь от коллектора к эмиттеру.

В случае биполярного транзистора нам необходимо подавать постоянный ток через его базу. Но в случае IGBT, как и в случае с MOSFET, нам необходимо обеспечить постоянное напряжение на затворе, а насыщение поддерживается в постоянном состоянии.

В левом случае разность напряжений VIN, которая представляет собой разность потенциалов входа (затвора) с землей/VSS, контролирует выходной ток, текущий от коллектора к эмиттеру. Разница напряжений между VCC и GND практически одинакова на нагрузке.

В правой схеме ток, протекающий через нагрузку, зависит от напряжения, деленного на значение RS .

I_RL2 = V_IN / R_S

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно включить и выключить, активировав его затвор. Если мы сделаем напряжение на затворе более положительным, подав напряжение на затвор, эмиттер IGBT удержит IGBT в состоянии «ON», а если мы сделаем напряжение на затворе отрицательным или нулевым, IGBT останется в состоянии «OFF». Это то же самое, что и переключение биполярного транзистора и MOSFET.

Характеристики IGBT транзистора

На изображении выше показаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора с изолированным затвором в зависимости от различного напряжения затвора или Vge. Ось X обозначает напряжение коллектор-эмиттер или Vce, а ось Y обозначает ток коллектора . В выключенном состоянии ток, протекающий через коллектор и напряжение на затворе, равен нулю. Когда мы меняем Vge или напряжение на затворе, устройство переходит в активную область. Стабильное и непрерывное напряжение на затворе обеспечивает непрерывный и стабильный ток через коллектор. Увеличение Vge пропорционально увеличивает ток коллектора: Vge3 > Vge2 > Vge3.  BV — напряжение пробоя IGBT.

ВАХ IGBT транзистора почти идентична кривой передачи биполярного транзистора, но только на ней вместо тока показано Vge, поскольку IGBT является устройством, управляемым напряжением.

На следующем рисунке показана передаточная характеристика IGBT транзистора. Она практически идентична передаточной характеристике MOSFET. IGBT перейдет в состояние «ON» после того, как Vge превысит пороговое значение, зависящее от спецификации IGBT.

Приведем сравнительную таблицу, которая даст нам четкое представление о разнице между IGBT, силовым биполярным транзистором и силовым MOSFET.

Характеристики устройства	IGBT	Силовой MOSFET	Силовой биполярный транзистор
Напряжение	Более 1 кВ (очень высокое)	Менее 1 кВ (высокое)	Менее 1 кВ (высокое)
Ток	Более 500 А (высокий)	Менее 200 А (высокий)	Менее 500 А (высокий)
Устройство ввода	Напряжение, Vge, 4-8V	Напряжение, Vgs, 3-10V	Ток, hfe, 20-200
Входное сопротивление	Высокое	Высокое	Низкое
Выходное сопротивление	Низкое	Среднее	Низкое
Скорость переключения	Среднее	Быстрое (нс)	Медленное (мкс)
Стоимость	Высокая	Средняя	Низкая

На следующем рисунке показано использование IGBT транзистора для переключения в схеме.

Использование IGBT транзистора для переключения более наглядно можно посмотреть в следующем видео.

709 просмотров