IGBT-транзистор – гибридный прибор

IGBT-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated-Gate Bipolar Transistor) – мощные коммутационные полупроводниковые приборы представляющие собой интегральную структуру, состоящую из входного полевого транзистора и силового биполярного транзистора. Используются в 99,999% как ключевые приборы. По электрическим свойствам представляют собой «грейпфрут» полевого транзистора с изолированным затвором и биполярного транзистора. Управление IGBT-транзистором осуществляется напряжением как полевого транзистора, во включенном состоянии имеют некоторое напряжение насыщения цепи коллектор-эмиттер; сравнительно медленное выключение («токовый хвост», как рудимент, доставшийся в наследство от биполярных транзисторов). Подробнее про внутреннюю структуру IGBT-транзисторов изложено в [Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В.П. и др. СОЛОН-Пресс. 2002. 512 с.]. Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР.

Практически все выпускаемые IGBT-транзисторы n-канальные. Теоретически существующие p-канальные IGBT-транзисторы по причине невостребованности на рынке отсутствуют.

Ключевыми преимуществами IGBT -транзисторов являются:

- высокие коммутируемые мощности;

- большие значения рабочего напряжения;

- устойчивость к токовым перегрузкам;

- малые мощности управления.

Области использования IGBT-транзисторов:

- в силовых импульсных преобразователях и инверторах (мощностью более 1 кВт);

- в системах индукционного нагрева;

- в системах управления двигателями (частотно-регулируемые привода).

Таким образом, IGBT-транзисторы используются только в качестве ключевых элементов.

Во многих случаях IGBT-транзисторы содержат в своем составе интегрированный быстродействующий обратный диод.

Условное обозначение и внутренняя структура IGBT-транзистора

Условное обозначение и эквивалентная упрощенная внутренняя структура IGBT-транзистора и реальная эквивалентная схема представлены на рисунке ниже.

Рисунок IGBT.1 - Условное обозначение и эквивалентная упрощенная внутренняя структура IGBT-транзистора и реальная эквивалентная схема.

В некоторых типах IGBT-транзисторов интегрирован отдельный реверсный быстродействющий диод.

Основные параметры IGBT -транзистора

Ниже перечислены основные параметры IGBT-транзистора, которые приводятся в справочных листках.

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-to-Emitter Voltage или Collector-to-Emitter Breakdown Voltage) V_CES – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора.

2. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер V_CE(on) – падение напряжение между коллектором и эмиттеров в открытом состоянии. При заданном токе коллектора и температуре.

3. Максимальное напряжение затвор-исток (Gate-to-Emitter Voltage) V_GE ­– максимальное управляющее напряжение затвор-эмиттер. При превышении этого напряжения возможен пробой затворного диэлектрика и выход транзистора из строя.

4. Максимальный ток коллектора в непрерывном режиме (Continuous Collector Current) I_C – максимальная величина постоянно протекающего тока коллектора. В реальности для IGBT-транзисторов ток существенно зависит от температуры корпуса транзистор и рабочий ток приводится для двух значений температуры 25° С и 100° С.

5. Максимальный импульсный ток через коллектор (Pulsed Collector Current) I_СM - максимальная величина импульсного тока через коллектор. Зависит от коэффициента заполнения, условий теплоотвода. Принципиально ограничивается энергией рассеивания кристалла.

6. Пороговое напряжение затвора (Gate Threshold Voltage) V_GE(th) – напряжение затвора, при котором транзистор начинает переходить в проводящее состоянии.

7. Температурный коэффициент снижения максимального напряжение коллектор-эмиттер (Temperature Coeff. of Breakdown Voltage) ∆V_(BR)CES/∆T_J – коэффициент показывающий снижение максимального напряжение коллектор-эмиттер с увеличением температуры.

8. Температурный коэффициент уменьшения порогового напряжения затвора (TemperatureCoeff. of Threshold Voltage) ∆V_GE(th)/∆TJ - коэффициент показывающий снижение порогового напряжения затвора с увеличением температуры.

9.Ток коллектора при нулевом напряжении затвор-эмиттер (Zero Gate Voltage Collector Current) I_CES – ток утечки через коллекторный переход при выключенном состоянии транзистора.

10. Прямое падение напряжения на обратном диоде (Diode Forward Voltage Drop) V_FM - прямое падение напряжения на интегрированном в конструкцию транзистора быстродейтсвующем обратном диоде.

11. Энергия рассеивания кристалла (Single Pulse Avalanche Energy) E_AS – максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения.

12. Максимальная рассеиваемая мощность (Maximum Power Dissipation) P_D – максимальная тепловая мощность, которая может быть отведена от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

13. Диапазон рабочих температур - диапазон температур, в пределах которого допускается эксплуатация транзистора.

14. Тепловое сопротивление транзистор-воздух R_θJA (Junction-to-Ambient) - максимальное тепловое сопротивление транзистор-воздух (при условии свободного конвективного теплообмена).

15. Тепловое сопротивление кристалл транзистора – корпус транзистора (Junction-to-Case - IGBT) R_θJC - максимальное тепловое сопротивление перехода кристалл транзистора – корпус транзистора.

16. Тепловое сопротивление кристалл диода – корпус транзистора (Junction-to-Case - Diode) R_θJC- максимальное тепловое сопротивление перехода кристалл интегрированного диода – корпус транзистора.

17. Ток утечки затвора (Gate-to-Emitter Leakage Current) I_GES – ток затвора при некотором (как правило, максимальном) напряжении затвор-исток.

18. Общий заряд затвора (Total Gate Charge) Q_g – суммарный заряд затвора необходимый для перевода транзистора в проводящее состояние.

19. Заряд затвор-исток (Gate - Emitter Charge) Q_ge – заряд емкости затвор-эмиттер.

20. Заряд затвор-коллектор (Gate - Collector Charge) Q_gc - заряд емкости затвор-коллектор.

21. Время задержки включения (Turn-On Delay Time) t_d(on) – время за которое транзистор накапливает заряд затвора, при котором транзистор начинает открываться.

22. Время роста тока через транзистор (Rise Time) – время, за которое происходит нарастание тока коллектора транзистора от 10% до 90%.

23. Время задержки выключения (Turn-Off Delay Time) t_d(off) – время за которое заряд затвора становится меньшим заряда включения, и транзистор начинает закрываться.

24. Время спада тока через транзистор (Fall Time) - время, за которое происходит спад тока коллектора транзистора от 10% до 90%.

25. Потери энергии на включение транзистора (Turn-On Switching Loss) E_on - энергия, выделяемая в кристалле при переходном процессе включения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

26. Потери энергии на выключение транзистора (Turn-Off Switching Loss) E_off – энергия, выделяемая в кристалле при переходном процессе выключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

27. Суммарные потери энергии на включение-выключение транзистора (Total Switching Loss) E_ts- суммарные потери энергии на рабочий цикл включения-выключения транзистора при заданном напряжении коллектор-эмиттер, напряжении затвора и токе коллектора.

28. Максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток (dv/dt ruggedness) - максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток при которой еще не происходит перехода транзистора в проводящее состояние.

29. Индуктивность вывода стока (Internal Emitter Inductance) L_E – паразитная индуктивность вывода эмиттера транзистора.

30. Максимальная скорость обрыва тока при переходе в непроводящее состояние (Diode PeakRate of Fall of Recovery) (di_(rec)M/dt) - максимальная скорость обрыва тока через интегрированный диод при переходе в непроводящее состояние под действием смены полярности.

31. Постоянный прямой ток через обратный диод (Continuous Source-Drain Diode Current) I_S – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

32. Импульсный ток через обратный диод (Pulsed Diode Forward Current) I_SM – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

33. Падение напряжения на диоде (Body Diode Voltage) V_SD – прямое падение напряжения на диоде. При заданных температуре и токе истока.

34. Время восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Time) t_rr - время восстановления обратной проводимости паразитного диода.

35. Заряд восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Charge, Reverse recovery charge) Q_rr – заряд, необходимый для восстановления обратной проводимости паразитного диода.

36. Время включения паразитного диода (Forward Turn-On Time) t_on - время перехода диода в проводящее состояние. Обычно составляет пренебрежимо малую величину.

37. Входная емкость (Input Capacitance) C_ies – сумма емкостей «затвор-коллектор» и «затвор-эмиттер» (при некотором напряжении коллектор-эмиттер).

38. Выходная емкость (Output Capacitance) C_oes – сумма емкостей «затвор-коллектор» и «коллектор-эмиттер» (при некотором напряжении коллектор-эмиттер).

39. Проходная емкость (Reverse Transfer Capacitance) C_res – емкость «затвор-коллектор».

Паразитные емкости IGBT-транзистора

Паразитные емкости IGBT-транзистора (рисунок IGBT.2) являются причиной снижения его быстродействия.

Рисунок IGBT.2 - Паразитные емкости IGBT-транзистора

Классификация IGBT-транзисторов по быстродействию

По скорости переключения IGBT-транзисторы классифицируются на четыре группы как представлено в таблице IGBT.1 :

Таблица IGBT.1 Классификация IGBT-транзисторов по скорости переключения [Мощные и эффективные IGBT седьмого поколения от IR. Донцов Александр. Силовая электроника №5, 2013].

Как видно из таблицы повышение быстродействия (уменьшение потерь на переключение) сопровождается увеличением потерь на проводимость.

По сравнению с MOSFET-транзисторами IGBT-транзисторы имеют меньшую скорость переключения, но большую устойчивость к токовым перегрузкам. Потери на проводимость в MOSFET-транзисторе пропорциональны квадрату тока, а в IGBT-транзисторе пропорциональны току. По этой причине превышение номинальной величины тока критично для MOSFET-транзистора поскольку приводит к катастрофическим потерям и вполне допустимо для IGBT-транзистора. Именно по этой причине IGBT-транзисторы широко используются там, где возможны импульсные токовые перегрузки – сварочные инверторы, системы пуска двигателей и т.д.

IGBT-модули

Поскольку основной областью применения IGBT-транзисторов является мощная преобразовательная техника, то они часто соединяются в IGBT-модули (так называемые «кирпичи»), как правило, имеющие полумостовую топологию. Модули имеют интегрированные обратные диоды, отдельные силовые клеммы и выводы управляющих сигналов затворов.

В общей классификации IGBT-модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой (рисунок IGBT.3):

- единичный IGBT;

- двойной модуль (half-bridge), где два IGBT соединены последовательно (полумост);

- прерыватели, в которых единичный IGBT последовательно соединён с диодом;

- однофазный или трёхфазный мост.

Рисунок IGBT.3 - IGBT-модули: а – единичный IGBT; б – полумостовой модуль; в, г – сборки с нижним и верхним IGBT; д – мостовой модуль; е – модуль трехфазного моста

MOSFET vs. IGBT. Области применения

Выбор типа ключевого элемента для того или иного преобразователя и стабилизатора является одним из основных вопросов. Ответ на вопрос о том, какой тип приборов MOSFET или IGBT использовать определяется рабочими характеристиками импульсного преобразователя:

- рабочее напряжение;

- частота переключения;

- рабочая мощность.

Условное разграничение областей применения MOSFET и IGBT представлено на рисунке IGBT.4 [Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жёстким переключением. Александр Полищук. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Октябрь 2004. c. 8-11].

Рисунок IGBT.4 - Условное разграничение областей применения MOSFET и IGBT

Выбор определяют следующие положения:

- с ростом частоты пропорционально возрастают динамические потери на переключение – это существенно для IGBT-транзисторов;

- с ростом мощности статические потери IGBT возрастают пропорционально коммутируемому току, а статические потери в MOSFET возрастают пропорционально квадрату коммутируемого тока;

- с ростом рабочего (максимального) напряжения свыше 1000 В сложно найти MOSFET-транзисторы применение которых было бы экономически целесообразно;

- с ростом частоты снижается коэффициент заполнения.