IGBT-транзисторы

IGBT-транзистор – это гибридный полупроводниковый прибор, в котором совмещены два способа управления электрическим током, характерных для полевого (управление электрическим полем) и для биполярного (управление электрическим током) транзисторов. Входная цепь IGBT-транзистора представляет собой МДП-транзистор с индуцированным каналом п -типа, что обеспечивает высокое входное сопротивление, а выходная цепь представляет биполярный транзистор.

Основой построения IGBT-транзистора является ДМДП-транзистор, структура которого дополняется со стороны стокового вывода слоем полупроводника р -типа. На рисунке 11.5 приведен элемент структуры IGBT-транзистора. Заметим, что применительно к IGBT-транзисторам исток принято называть эмиттером, а сток – коллектором.

Рис.11.5. Структура IGBT-транзистора а) и его эквивалентная схема б).

Как видно из структурной схемы, IGBT-транзистор имеет МДП-затвор и два биполярных транзистора структуры п-р-п, образованный на основе слоев п₁, р₁ и п₂, и структуры р-п-р, образованный на основе слоев р₁, п₂ и р₂. На рисунке 11.6, б приведена эквивалентная схема IGBT-транзистора. В эквивалентной схеме сопротивление R 1 является базовым сопротивлением транзистора VT2 (слой п ₂), а R 2 – базовым сопротивлением транзистора VT3 (слой р ₁). Биполярный транзистор VT3 в работе IGBT-транзистора обычно играет паразитную роль, так как совместно с транзистором VT2 образует схему диодного тиристора. Как известно, в этой схеме может возникнуть сильная положительная обратная связь, после чего

а)

б)

Рис.11.6. Условно графическое обозначение а) и эквивалентная схема IGBT-транзистора б).

IGBT-транзистор становится неуправляемым и может выйти из строя. Однако современные технологии позволяют надежно защитить IGBT-транзистор от тиристорного эффекта, так что транзистор VT3 можно исключить из эквивалентной схемы. Поэтому, в работе IGBT-транзистора основную роль играет только полевой транзистор VT1 и биполярный транзистор VT2.

Основным достоинством IGBT-транзистора является значительное уменьшение сопротивления перехода эмиттер-коллектор в открытом состоянии. Это достигается сильной инжекцией дырок из слоя р ₂ (эмиттер транзистора VT2) в слой п ₂, транзистор VT2 насыщается и шунтирует сопротивление R 2. Малое сопротивление перехода эмиттер-коллектор в открытом состояние значительно уменьшает падение напряжения в нем, позволяет работать с большими выходными токами и значительно повышает КПД IGBT-транзистора,.

Кроме того, IGBT-транзисторы характеризуются высокими значениями крутизны управляющей характеристики, которые могут составлять несколько десятков А/В. IGBT-транзисторы обладают высокой тепловой стойкостью, устойчивы к короткому замыканию нагрузки.

Выходные вольтамперные характеристики IGBT-транзистора I_K = f (V_КЭ) при V_ЗЭ = const подобны выходным вольтамперным характеристикам биполярного транзистора, а управляющие характеристики I_K = f (V_ЗЭ) при V_КЭ = const подобны управляющим характеристикам полевого транзистора. Отметим, что IGBT-транзисторы могут работать с токами коллектора до сотни ампер, а напряжения V_КЭ могут достигать нескольких киловольт. Пороговое напряжение составляет обычно 5-6 В.

Условно-графическое обозначение IGBT-транзистора приведена на рис. 11.6, а. Это обозначение подчеркивает гибридность IGBT-транзистора тем, что затвор изображается как в МДП-транзисторах, а выходные электроды эмиттер и коллектор изображены как в биполярном транзисторе.

Контрольные вопросы.

1. Какие проблемы возникают при создании мощных полевых транзисторов и как они решаются?

2. Как устроены мощные полевые транзистора ДМДП и VМДП типа?

3. Как работают мощные полевые транзисторы со статической индукцией?

4. Начертите эквивалентную схему IGBT транзистора и поясните его работу.

5. Какими достоинствами характеризуются IGBT транзисторы?

Дата добавления: 2015-05-06