Практикум по радиоэлектронике. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT): Методические указания к лабораторной работе № 11

1. Введение

Трудно представить современный электронный прибор без импульсного источника питания, ключевого стабилизатора или ШИМ-генератора. Компактность и надежность работы таких устройств в значительной степени зависит от элементной базы силовой схемы.

Основой таких схем является инвертор (устройство для преобразования постоянного тока в переменный), выполненный на активных полупроводниковых ключах. Преобразователи прошлого столетия, работающие в диапазоне мощностей от единиц ватт до единиц киловатт, в большинстве проектировались на биполярных транзисторах, работающих в ключевом режиме. Основной недостаток таких ключей состоит в том, что биполярный транзистор управляется током. Поэтому, появляется трудность при проектировании преобразователей большой мощности: приходится использовать каскадные схемы, тем самым, увеличивая количество транзисторов, вследствие чего возрастают тепловые потери и снижается надежность работы.

Значительно позже после биполярных транзисторов появились полевые транзисторы. Их преимущество перед предшественниками заключается в том, что это потенциальный элемент, а не токовый (полевой транзистор управляются напряжением, а не током). Однако и эти элементы не лишены недостатков: ввиду конструктивной особенности полевые транзисторы низковольтные. Для большинства полевых транзисторов максимальное напряжение между «стоком» и «истоком» не превышает трехсот вольт. Хотя современные производители радиоэлектронных компонент и выпускают полевые транзисторы на напряжение до киловольта, но такие элементы имеют существенный недостаток: в открытом состоянии переход транзистора между «стоком» и «истоком» представляет активное сопротивление, величина которого составляет несколько Ом. Такое ограничение усложняет проектирование преобразователей на большое напряжение.

В начале 80-х годов прошлого столетия появилась идея создания универсального ключа путем объединения преимуществ биполярного транзистора (большое допустимое напряжение между «коллектором» и «эмиттером») с преимуществами полевого транзистора (минимальные затраты энергии на управление). Прибор получил название: insulated gate bipolar transistor (IGBT), что в переводе означает биполярный транзистор с изолированным затвором. Входная часть такого транзистора как у полевого, выходная как у биполярного.

2. Теоретические сведения

Схематическое обозначение IGBT показано на рис. 1. Транзистор имеет три вывода: G – «затвор», C – «коллектор»,   E – «эмиттер». Входная часть транзистора изображается как вход МОП-транзистора с индуци­ро­ван­ным каналом, выходная часть как выход биполярного p-n-p транзистора. Упрощенная эквива­лент­ная схема IGBT изображена на рис. 2. Интересно, что «коллектору» IGBT соответствует «эмиттер» выходного биполярного p-n-p транзистора, а «эмиттеру» наоборот «коллектор».

Остановимся подробнее на структуре IGBT. В закрытом состоянии транзистора напряжение между «коллектором» и «эмиттером» оказывается приложенным к объе­ди­ненной области n– (рис. 3). При прикладывании к «затвору» поло­жи­тельного потенциала, в p-области появляется проводящий канал (на рис.3 канал обозначен пунктирной линией) и начинает течь ток из области n– в область n+ (открывается МОП-транзис­тор), обеспечивая открывание биполярного p-n-p транзистора. Из рис. 3 видно, что эквивалентная схема IGBT будет несколько отличаться от той, что изображена на рис. 2. Входной МОП-транзистор шунтируется паразитным n-p-n транзистором, возникшим при изготовлении.

Итак, структуру IGBT можно представить экви­ва­лентной схемой, изображенной на рис. 4. Промежу­точный n-канальный полевой транзистор выпол­няет роль дина­ми­ческого сопротивления, кото­рое умень­шается в открытом состоянии IGBT и пропускает ток через базовую область биполярного p-n-p транзистора тем самым, уменьшая остаточное напряжение в области n– (рис. 3). Большую опасность представляет паразитный биполярный n-p-n транзистор; совместно с выходным p-n-p транзис­то­ром они образуют паразит­ный тиристор, который может перейти в отрытое состояние (в литературе это называется эффектом «защелкивания» IGBT), вследствие чего IGBT потеряет управляемость. Современные IGBT практи­чески лишены такого недос­тат­ка; «защелкивание» тран­зис­тора может наблю­даться при превыше­нии пре­дельной допус­ти­мой частоты пере­клю­че­ния транзистора.