Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

В структуре IGBT удалось наиболее удачно соединить положительные качества полевых и биполярных транзисторов, работающих в ключевом режиме. На этапе производства полевых транзисторов в их структуре обязательно появляется паразитный биполярный транзистор. В состав транзистора введены несколько новых элементов (рис.1.11 а) – биполярный транзистор структуры p-n-p и полевой транзистор с управляющим p-n переходом, что позволило получить новый прибор с уникальными свойствами. Паразитный n-p-n транзистор образует с p-n-p транзистором тиристорную схему соединения, в которой при определённых условиях может быть реализован регенеративный механизм включения, называемый триггерным эффектом. Подавление этого эффекта достигается ограничением усилительных свойств p-n-p транзистора. Общее усилительное свойства рассматриваемой структуры IGBT может быть охарактеризовано коэффициентом прямой проводимости, называемой также силовой крутизной S. Данный параметр определяется произведением усилительных свойств МДП и биполярной части структуры и является относительно высоким по сравнению с рассмотренными биполярными и МДП-ключами. В области изменения рабочих токов наблюдается непрерывный рост крутизны, что в целом положительно сказывается на динамических и проводящих характеристиках структуры. Однако вследствие этого в режиме токовых перегрузок высокая крутизна является причиной высокой плотности тока, что снижает время допустимых перегрузок и требует более быстродействующих методов защиты.

Переключательные свойства структуры определяются, как и у MOSFET-транзисторов, внутренними паразитными ёмкостями, состоящими из межэлектродных ёмкостей МДП-транзистора и дополнительных ёмкостей p-n-p транзистора. Главной отличительной особенностью IGBT-структуры по сравнению с МДП-транзистором (рис.1.12) является наличие неосновных насителей, накопленных в базовых областях ячейки. Уменьшение накопленного заряда происходит только на основе рекомбинационных эффектов, что в свою очередь, определяет наличие дополнительной фазы в выключаемом токе транзистора, называемой хвостовой частью коллекторного тока, ухудшающей частотные свойства структуры. Частотный диапазон возможных применений IGBT-транзисторов был поделен на несколько участков, для которых были разработаны “свои” приборы с оптимизированными параметрами: 75…150 кГц; 10…75 кГц; 3…10 кГц; 1…3 кГц. Эксплуатировать IGBT-транзистор можно только в том диапазоне частот, для которого он предназначен. Использовать низкочастотный прибор на высоких частотах возможно, но необходимо будет сильно снизить величину допустимого длительного тока, к тому же возрастут потери переключения.

Как и у MOSFET у транзисторов IGBT отсутствует участок вторичного пробоя. Кроме того, с повышением температуры напряжение насыщения “коллектор-эмиттер” у IGBT уменьшается. Перегружать IGBT-транзистор по напряжению не допускается, но по току он выдерживает 5…10-кратные кратковременные перегрузки.

При параллельном включении IGBT-транзисторы более подвержены несимметрии режимов, чем транзисторы MOSFET, однако при выполнении несложных схемотехнических и конструктивных рекомендаций транзисторы IGBT одного типа и наименования можно соединять параллельно без эмиттерных токовыравнивающих резисторов.