В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные транзисторы (BPT) и идущие им на смену полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) [1].
MOSFET транзисторы, появившиеся в 80-х годах, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке. Высоковольтных MOSFET транзисторов с достаточно хорошими характеристиками создать пока не удается, так как сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД.
В середине 80-х годов возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине 90-х годов в каталогах ряда компаний (среди которых одной из первых была International Rectifier) появились транзисторы IGBT. В настоящее время в каталогах всех ведущих производителей мощных полупроводниковых приборов можно найти эти транзисторы.
Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.
IGBT-прибор представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного MOSFET-транзистора с индуцированным каналом (рис. 1,а).
IGBT-приборы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и MOSFET-транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации). В то же время потери у них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у полевых транзисторов. Максимальное напряжение IGBT-транзисторов ограничено только технологическим пробоем и уже сегодня выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4000 В. при этом остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии не превышает 2…3 В.
По быстродействию силовые IGBT-приборы пока уступают MOSFET-транзисторам, но превосходят биполярные.
Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис. 2а. Она содержит в стоковой области дополнительный p+-слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи. При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обедненной области эпитаксиального n–-слоя. При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора. Между внешними выводами ячейки? коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП транзистора оказывается усиленным в (B+1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n–-область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.
Напряжение на открытом приборе складывается из напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе p-n-p-транзистора (диодная составляющая) и падения напряжения на сопротивлении модулируемой n–-области (омическая составляющая):
где RМДП - сопротивление MOSFET транзистора в структуре IGBT (сопротивление эпитаксиального n–-слоя); b - коэффициент передачи базового тока биполярного p-n-p-транзистора.
В настоящее время для уменьшения падения напряжения на IGBT транзисторах в открытом состоянии, расширения диапазонов допустимых токов, напряжений и области безопасной работы они изготавливаются по технологии с вертикальным затвором - trench-gate technology (рис. 2б). При этом размер элементарной ячейки уменьшается в 2…5 раз.
Как правило, в области рабочих токов, на которые проектируется структура IGBT, остаточное напряжение на приборе слабо зависит от температуры (рис. 3).
Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2…0,4 и 0,2…1,5 мкс соответственно. Область безопасной работы современных IGBT транзисторов позволяет успешно обеспечить их надежную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц.
Типовые характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис. 4-6 [2].
В общем случае выход из строя IGBT-транзисторов связан с нарушением границ области безопасной работы. Основная часть аварийных ситуаций связана с превышением максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер. Индуктивная нагрузка и переходные режимы напряжения питания коллекторной цепи также могут вызвать разрушение IGBT-приборов.
Неприятной особенностью IGBT-транзисторов некоторых производителей является эффект "защелки", который связан с наличием триггерной схемы, образованной биполярной частью IGBT-структуры и паразитным n-p-n транзистором (рис. 1б). При определенных условиях работы, когда напряжение на паразитном резисторе Rs превышает некоторое пороговое значение, n-p-n транзистор открывается, триггер опрокидывается и происходит защелкивание. Следствием этого, как правило, является лавинообразный выход прибора из строя.
При разработке электронных схем с использованием IGBT-транзисторов в которых такая ситуация возможна, следует особое внимание уделять ограничению максимальных токов и ограничению dV/dt. Для ограничения тока короткого замыкания при аварийном режиме рекомендуется включение между затвором и эмиттером защитной цепи, предотвращающей увеличение напряжения затвор-эмиттер при резком нарастании тока коллектора. Наилучшим вариантом является подключение параллельно цепи затвор-эмиттер последовательно соединенных диода Шоттки и конденсатора, заряженного до напряжения +15…+16 В. Допускается применение в качестве защитного элемента стабилитрона на напряжение 15…16 В.
Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер следует применять снабберные RC- и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах [1].
Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для нормального включения и перевода IGBT-транзистора в состояние насыщения при обеспечении минимальных потерь в этом состоянии необходим заряд входной емкости прибора (1000…5000 пФ) до +15 В ±10%. Перевод прибора в закрытое состояние может осуществляться как подачей нулевого напряжения, так и отрицательного - не более –20 В (обычно в пределах –5…–6 В). Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер не должно превышать +20 В. Превышение этого напряжения может пробить изоляцию затвора и вывести прибор из строя. Не рекомендуется работа IGBT-транзистора и при "подвешенном" затворе, так как в противном случае возможно ложное включение прибора.
С целью снижения динамических потерь и увеличения частоты коммутации необходимо обеспечить малое время переключения прибора. Время переключения для большинства ключей на IGBT-транзисторах лежит в пределах 100…1000 нс, что требует обеспечивать перезаряд входной емкости в течение короткого времени с помощью токовых пиков до 5 А и более. Необходимо также уменьшать отрицательную обратную связь, которая может возникнуть из-за индуктивности слишком длинного соединительного проводника к эмиттеру прибора.
Длина соединительных проводников между управляющей схемой и мощным полевым транзистором должна быть минимальной для исключения помех в цепи управления. Для соединения целесообразно использовать витую пару минимальной длины или прямой монтаж платы управляющей схемы на выводы управления транзистора. Если не удается избежать длинных проводников в цепи затвора, то в качестве меры предосторожности необходимо включить последовательно с затвором резистор с небольшим сопротивлением. Обычно достаточно, чтобы сопротивление этого резистора лежало в диапазоне 100…200 Ом.
Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как, например, КМОП-приборы, из-за того, что входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему. Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10…20 кОм.
Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис. 7.
