Практикум по радиоэлектронике. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT): Методические указания к лабораторной работе № 11, страница 2

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) IGBT изображена на рис. 5. Вели­чи­на порогового напря­же­ния (минимальное напря­же­ние между «затвором» и «эмит­те­ром», при котором транзис­тор начинает откры­вать­ся) состав­ляет примерно 5 V. Полное отпи­ра­ние гаран­ти­руется при напряжении между «затво­ром» и «эмит­тером» больше или равным 15 V.

3. Частотные характеристики

Как и предшествующие полевые и биполярные транзисторы, IGBT тоже не лишен паразитных параметров. В частности, IGBT имеет конечное время переключения. Задержки на включение и выключение IGBT вызваны наличием паразитных емкостей C_GE, C_GC, C_CE (рис. 6). Часто в техническом описании указываются приведенные емкости:

входная емкость IGBT:  

выходная емкость IGBT:

передаточная (проходная) емкость IGBT: , которая имеет дополнительное название – «емкость Миллера». Эта емкость образует отрицательную паразитную обратную связь между входом и выходом транзистора, тем самым, препятствуя процессам отпирания – запирания транзистора. Остановимся подробнее на включении транзистора. При подаче на «затвор» IGBT импульса прямоугольной формы, начинается зарядка входной емкости с постоянной времени

где r – выходное сопротивление генератора импульса прямоугольной формы. Зарядка продолжается до порогового значения напряжения, после чего начинает изменяться напряжение между «коллектором» и «эмиттером» (транзистор начинает открываться). При этом сильно увеличивается входная емкость, и процесс открывания транзистора замедляется. Произведем расчет динамической вход­ной емкости:

,

где ∆I_C – прира­ще­ние тока «коллектора» IGBT (рис. 7), S – крутизна.    Откуда:

,

где  – коэффициент усиления.

При этом выходной ток генератора импульсов прямоугольной формы будет включать ток, протекающий через емкость C_GE, и ток через емкость C_GC:

,

где , ;

С другой стороны

,

где , C_dyn – динамическая входная емкость.

Приравняв эти значения тока получим:

,

откуда

Увеличение входной емкости приводит к увеличению времени открывания IGBT. Постоянная времени этого процесса: . В практике имеют место случаи, когда динамическая входная емкость IGBT на порядок больше статической емкости; при этом существенно возрастает время открывания транзистора. В процессе зарядки динамической емкости появляется коллекторный ток, максимальное значение которого достигается при окончании зарядки. Далее процесс зарядки продолжается снова с постоянной времени τ_ON. Процесс выключения IGBT аналогичен процессу включения. Вначале разряжается входная емкость IGBT до некоторого порогового потенциала, при котором начинает запираться транзистор (начинает меняться напряжение между «коллектором» и «эмиттером»). Далее происходит перезарядка емкости Миллера, после чего снова разряжается входная емкость IGBT.

4. Потери мощности

Несмотря на все достоинства IGBT все-таки не является идеальным ключом. Как и предшествующие полевой и биполярный транзисторы IGBT не лишен паразитных параметров. Во-первых, в открытом состоянии у IGBT есть не равное нулю падение напряжения на переходе  «коллектор–эмиттер» U_CE(ON), что приводит к наличию статических потерь мощности на транзисторе: . Во-вторых, как было замечено в предыдущем разделе включения/выключения IGBT происходит не мгновенно (конечна скорость изменения тока «коллектора»). Это приводит к наличию динамических потерь мощности:

5. Линейный источник тока