Биполярный транзистор с изолированным затвором

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «IGBT»)
Перейти к: навигация, поиск
Условное графическое обозначение БТИЗ.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. IGBT от англ. Insulated-gate bipolar transistor) — трёхэлектродный силовой электронный прибор, используемый, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами.

По своей внутренней структуре БТИЗ представляет собой каскадное включение двух электронных ключей: входной ключ на полевом транзисторе управляет мощным оконечным ключом на биполярном транзисторе. Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного. Такое составное включение полевого и биполярного транзисторов позволяет сочетать в одном устройстве достоинства обоих типов полупроводниковых приборов.

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

История[править | править исходный текст]

До 90-х годов XX века в качестве силовых полупроводниковых приборов, помимо тиристора, использовались биполярные транзисторы. Их эффективность была ограничена несколькими недостатками:

  • необходимость большого тока базы для включения;
  • наличие токового «хвоста» при запирании, поскольку ток коллектора не спадает мгновенно после снятия тока управления — появляется сопротивление в цепи коллектора, и транзистор нагревается;
  • зависимость параметров от температуры;
  • напряжения насыщения цепи коллектор-эмиттер ограничивает минимальное рабочее 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.

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 — разнообразные импульсные преобразователи напряжения с высокими рабочими частотами, и даже аудио-усилители (так называемого класса D).

Схематичное изображение внутренней структуры БТИЗ.

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)[1]. В рамках этих работ в 1979 году были предложены составные транзисторы с управлением мощным биполярным транзистором с помощью полевого транзистора с изолированным затвором. Было показано, что выходные токи и напряжения составных структур определяются биполярным транзистором, а входные — полевым. Было доказано, что биполярный транзистор в ключе на основе составного транзистора не насыщается, что резко уменьшает задержку при выключении ключа[2], были показаны достоинства таких транзисторов в роли силовых ключей[3]. На «полупроводниковый прибор, выполненный в виде единой структуры, содержащей мощный биполярный транзистор, на поверхности которого создан полевой транзистор с V-образным изолированным затвором» получено авторское свидетельство СССР.

Позднее, в 1985 году, был разработан биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) с полностью плоской структурой (без V-канала) и более высокими рабочими напряжениями. Это произошло почти одновременно в лабораториях фирм General Electric в городе Скенектади (штат Нью-Йорк) и в RCA в Принстоне (Нью-Джерси). Первоначально устройство называли COMFET, GEMFET или IGFET. В прошлом десятилетии[когда?] приняли название IGBT. Это устройство имеет:

  • малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
  • характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
  • управление как у МОП — напряжением.

БТИЗ[править | править исходный текст]

Структура БТИЗ-транзистора.

Данный тип приборов создан в начале 1980-х гг, запатентован International Rectifier в 1983 году. Первые БТИЗ не получили распространения из-за врождённых пороков — медленного переключения и низкой надёжности. Второе (1990-е годы) и третье (современное) поколения БТИЗ в целом избавились от этих пороков. БТИЗ сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

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 500 В целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением.

Применение[править | править исходный текст]

Сборка на БТИЗ для коммутации напряжения до 3300 В и токов до 1200 А.

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

Широкое применение БТИЗ нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение БТИЗ-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). БТИЗ 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).

БТИЗ и МОП 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 полностью взаимозаменяемы, цоколёвка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. БТИЗ и МОП требуют 12—15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения. Но «управляемый напряжением» не значит, что схеме управления не нужен источник тока. Затвор БТИЗ или МОП для управляющей схемы представляет собой конденсатор с величиной ёмкости, достигающей тысяч пикофарад (для мощных устройств). Драйвер затвора должен быть способным быстро заряжать и разряжать эту ёмкость, чтобы гарантировать быстрое переключение транзистора.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Дьяконов В. П. и др. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. — М.: СОЛОН-Пресс, 2002. — 512 с.
  2. Дьяконов В. П. и др. Статические вольт-амперные характеристики ненасыщающихся составных транзисторов на биполярных и полевых транзисторах // Известия вузов. Приборостроение. — 1980. — № 4. — С. 6.
  3. Дьяконов В. П. и др. Сильноточные не насыщающиеся ключи на составных транзисторах // Электронная промышленность. — 1981. — № 2. — С. 56.

Ссылки[править | править исходный текст]