Биполярный транзистор с изолированным затвором

Во второй половине 80-х годов появилась идея, послужившая в дальнейшем для создания комбинированного силового биполярного транзистора с МОП – управлением на входе, названного в зарубежных публикациях IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor, то есть в переводе БТИЗ - биполярный транзистор с изолированным затвором. Структурное включение транзисторов в такой сборке показано на рис. 1.

рис. 1

 

В то время в зарубежной литературе был опубликован ряд статей по новым типам транзисторов БТИЗ, и уже в 90-92 г., рядом зарубежных фирм серийно выпускались такие транзисторы. С тех пор практически все основные производители мощных полупроводниковых приборов стали выпускать такие силовые элементы.

В новых разработках передовых производителей силовых преобразователей на большие мощности, высоковольтные МОП ПТ или биполярные транзисторы уже почти не встречаются, однако производители силовых полупроводниковых приборов еще выпускают на сегодняшний день, до 40 – 50 % биполярных транзисторов, которые далее используются в устройствах, хорошо зарекомендовавших себя.

БТИЗ транзистор представляет собой p-n-p структуру, управляемую от низковольтного МОП с индуцированным каналом через высоковольтный полевой транзистор. На сегодняшний день пока еще нет сведений о транзисторах БТИЗ n-p-n типа проводимости.

Поскольку ток стока низковольтного МОП транзистора составляет лишь небольшую часть тока нагрузки (у выходного биполярного транзистора I_н=I_э=I_б+I_к), то размеры его сравнительно небольшие, и он имеет гораздо меньшие соответствующие емкости затвора, чем у МОП ПТ транзисторов. Пробивное входное напряжение БТИЗ теоретически составляет около 80 В, но для обеспечения надежности роботы в справочных данных практически всех фирм производителей БТИЗ встречается значение равное 20 В. При работе с транзисторами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало 20 В.

Напряжение на затворе БТИЗ, при котором входной МОП транзистор и выходной биполярный начинают отпираться, составляет от 3,5 В до 6,0 В и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, т.е. может пропускать максимально допустимый ток через коллектор–эмиттерный переход, составляет от 8 В до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные БТИЗ составляют от 7 до 100 А, а допустимый импульсный ток, как правило, в 2.5-3 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются модули, которые состоят из нескольких транзисторов. Предельные токи таких модулей составляют до 1000 А. Пробивные напряжения БТИЗ лежат в пределах от 400 В до 2500 В. Основные параметры некоторых БТИЗ представлены в таблице 4, модулей - в таблице 5.

 

 

Таблица 4.

Тип элемента	Напряжение коллектор-эмиттер Uкэ (В)	Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора Uкэн (В)	Постоянный ток коллектора Iк при Т=25°С (А)	Постоянный ток коллектора Iкпри Т=100°С (А)	P Макс. рассеиваемая мощность (Вт)
IRG4BC30FD		1.6
IRGBC30MD2		3.9
IRG4PC30FD		1.6
IRG4PC40FD		1.5
IRG4PC50FD		1.5
IRGPC40MD2		4.0
IRGPC50MD2		3.0
IRGPH30MD2		4.5
IRGPH40FD2		4.3
IRGPH40MD2		4.4
IRGPH50FD2		3.9
IRGPH50MD2		3.9
OM6516SC		4.0	-
OM6520SC		4.0	-

 

 

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора лежит в пределах от 1,5 до 4,0 В, в зависимости от типа, тока и предельного напряжения БТИЗ, в одинаковых режимах. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше пробивное напряжение и скорость переключения.

 

 

Таблица 5.

Тип элемента	Напряжение коллектор-эмиттер Uкэ,(В)	Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора Uкэн,(В)	Постоянный ток коллектора Iк при Т=25°С,(А)	Постоянный ток коллектора Iк при Т=100°С,(А)	P Макс. рассеиваемая мощность (Вт)
IRGDDN300M06		3.0
IRGDDN400M06		3.0
IRGDDN600M06		3.7
IRGRDN300M06		3.0
IRGRDN400M06		3.0
IRGRDN600M06		3.7
IRGTDN200M06		3.0
IRGTDN300M06		3.0

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом БТИЗ защищен от вторичного пробоя и, что особо важно для импульсного режима, он имеет прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, это дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также, как МОП ПТ транзисторы, БТИЗ имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2-5 раз ниже, чем у МОП ПТ с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у БТИЗ на входе размещен маломощный МОП, требующий для управления в динамических режимах меньшую мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах БТИЗ, при оптимальном управлении составляет около 50 - 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом БТИЗ является то, что биполярный транзистор в структуре не насыщается и следовательно не имеет времени рассасывания, однако при уменьшении напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает на протяжении от значений 80 - 200 нс до единиц микросекунд в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, т.к. база p-n-p – транзистора недоступна. Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода, поэтому чем более быстродействующий транзистор, тем выше напряжение насыщения.

БТИЗ транзисторы по сравнению с МОП ПТ обладают преимуществами, которые заключаются в следующем:

- экономичность управления связанная с меньшим значением емкости затвора и соответственно динамическими потерями на управление;

- высокая плотность тока в переходе эмиттер-коллектор, такая же как и в биполярном транзисторе;

- меньшие потери в режимах импульсных токов;

- практически прямоугольная область безопасной работы;

- возможность параллельного соединения транзисторов на общую нагрузку;

- динамические характеристики у последних транзисторов приближаются к МОП ПТ.

Основным недостатком БТИЗ является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 40-100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов, кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, зависимость тока коллектора БТИЗ от частоты для транзистора IRGPC50UD2 показана на рис. 2.

 

рис. 2

 

 

Как видно из рисунка, при частотах работы транзисторов более 10 кГц приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования необходимо уменьшать рабочую частоту из соображений влияния паразитных индуктивностей монтажа.