Главная

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50А и напряжений до 500В 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).

Рис. 1. Эквивалентные схемы IGBT транзистора

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 4000В. При этом остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии не превышает 2…3В. 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 (?+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.

Рис.2. Структуры элементарных ячеек IGBT транзисторов

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:

• R_МДП- 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…5раз. Как правило, в области рабочих токов, на которые проектируется структура IGBT, остаточное напряжение на приборе слабо зависит от температуры (рис.3).

Рис. 3.

На рис 3 показана зависимость падения напряжения на открытом приборе от температуры для высоковольтного MOSFET транзистора IRF840 и IGBT транзисторов при токе 10А Усилительные свойства IGBT-прибора характеризуются крутизной S, которая определяется усилительными свойствами МДП и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП-транзисторами.

Динамические характеристики IGBT структуры определяются внутренними паразитными емкостями, состоящими из межэлектродных емкостей МДП-транзистора и дополнительных емкостей p-n-p-транзистора.

Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2…0,4 и 0,2…1,5мкс 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 20кГц. Типовые характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис.4-6 [2].

Рис. 4.

На рис.4 показано семейство выходных вольтамперных характеристик IGBT-транзистора

Рис. 5.

На рис.5. показана зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвор-эмиттер

Рис. 6.

На рис.6 показаны динамические характеристики IGBT транзисторов (для полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой):

• t_{d (on)} и t_{d (off)}- времена задержки переключения;
• t_r- время нарастания коллекторного тока;
• t_f- время спада коллекторного тока

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 R_s 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…+16В. Допускается применение в качестве защитного элемента стабилитрона на напряжение 15…16В. 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…5000пФ) до +15 ± 10%. Перевод прибора в закрытое состояние может осуществляться как подачей нулевого напряжения, так и отрицательного- не более –20В (обычно в пределах –5…–6В). Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер не должно превышать +20В. 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…1000нс., что требует обеспечивать перезаряд входной емкости в течение короткого времени с помощью токовых пиков до 5А 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…200Ом.

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…20кОм. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис.7.

Рис. 7. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов

Компания International Rectifier (IR) выпускает четыре семейства IGBT-транзисторов, ориентированных на применение в различных областях силовой электроники. Разделение по классам идет по диапазону рабочих частот. Так выделяют семейства Standart, Fast, UltraFast, Warp (табл.1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики различных семейств IGBT-транзисторов компании IR

Параметр	Семейства IGBT-транзисторов
	Standart	Fast	UltraFast	Warp
Uкэ, В	1,3	1,5	1,8	2,1
Энергия переключения, мДж/А?мм2	0,54	0,16	0,055	0,03
Статические потери, Вт	0,625	0,75	0,95	1,1

Транзисторы семейства Standart оптимизированы на применение в цепях, где необходимо малое падение напряжения на ключе и малые статические потери. Транзисторы семейства UltraFast и Warp оптимизированы на применение в ВЧ цепях, где необходимо иметь малые динамические потери. Малая энергия переключения позволяет использовать транзисторы Warp вплоть до частот 150кГц, а транзисторы UltraFast- до 60кГц при приемлемом уровне динамических потерь.

Транзисторы семейства Fast являются некоторым компромиссом между рассмотренными семействами. Обладая невысоким падением напряжением и приемлемыми потерями, транзисторы Fast могут использоваться в цепях, где не требуется очень высокие скорости переключения, в схемах, где применение Standart приведет к большим динамическим потерям, а применения Warp приведет к высоким статическим потерям. По скоростям переключения сравнимы с биполярными транзисторами.

В рекомендациях по применению компания International Rectifier указывает, что в IGBT транзисторах нового поколения триггерная структура подавлена полностью. Кроме этого обеспечивается почти прямоугольная область безопасной работы. Цифробуквенное обозначение IGBT-транзисторов, выпускаемых компанией приведено на рис.8.

Рис. 8. Обозначение IGBT-транзисторов компании IR

В табл.2 приведены параметры IGBT-транзисторов средней мощности с максимальным напряжением 600В, которые находят широкое применение в бытовой и офисной технике [3].

Таблица 2. IGBT-транзисторы компании IR

Наименование	Корпус	Рабочие частоты, кГц	Uкэ макс, В	Uкэ вкл, В	Iк (25оC)	Iк (100оC)	Р, Вт
IRG4BC10K	TO-220AB	8-25	600	2,62	9,0	5,0	38
IRG4BC10S	TO-220AB	?1	600	1,70	14	8,0	38
IRG4BC20F	TO-220AB	1-8	600	2	16	9	60
IRG4BC20FD-S	D2-Pak	1-8	600	1,66	16	9	60
IRG4BC20K (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	8-25	600	2,80	16	9,0	60
IRG4BC20S	TO-220AB	?1	600	1,6	19	10	60
IRG4BC20U	TO-220AB	8-60	600	2,1	13	6,5	60
IRG4BC20W (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	60-150	600	2,60	13	6,5	60
IRG4BC30F	TO-220AB	1-8	600	1,8	31	17	100
IRG4BC30K (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	8-25	600	2,70	28	16	100
IRG4BC30S (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	?1	600	1,60	34	18	100
IRG4BC30U	TO-220AB	8-60	600	2,1	23	12	100
IRG4BC30U-S	D2-Pak	8-60	600	1,95	23	12	100
IRG4BC30W (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	60-150	600	2,70	23	12	100
IRG4BC40F	TO-220AB	1-8	600	1,7	49	27	160
IRG4BC40K	TO-220AB	8-25	600	2,6	42	25	160
IRG4BC40S	TO-220AB	?1	600	1,5	60	31	160
IRG4BC40U	TO-220AB	8-60	600	2,10	40	20	160
IRG4BC40W	TO-220AB	60-150	600	2,50	40	20	160
IRG4IBC20W	TO-220 FullPak	60-150	600	2,60	11,8	6,2	34
IRG4IBC30S	TO-220 FullPak	?1	600	1,6	23,5	13	45
IRG4IBC30W	TO-220 FullPak	60-150	600	2,70	17	8,4	45
IRG4PC30F	TO-247AC	1-8	600	1,80	31	17	100
IRG4PC30K	TO-247AC	8-25	600	2,70	28	16	100
IRG4PC30S	TO-247AC	?1	600	1,60	34	18	100
IRG4PC30U	TO-247AC	8-60	600	2,10	23	12	100
IRG4PC30W	TO-247AC	60-150	600	2,70	23	12	100
IRG4PC40F	TO-247AC	1-8	600	1,70	49	27	160
IRG4PC40K	TO-247AC	8-25	600	2,6	42	25	160
IRG4PC40S	TO-247AC	?1	600	1,50	60	31	160
IRG4PC40U	TO-247AC	8-60	600	2,10	40	20	160
IRG4PC40W	TO-247AC	60-150	600	2,50	40	20	160
IRG4PC50F	TO-247AC	1-8	600	1,60	70	39	200
IRG4PC50K	TO-247AC	8-25	600	2,20	52	30	200
IRG4PC50S	TO-247AC	?1	600	1,36	70	41	200
IRG4PC50S-P	SM TO-247	?1	600	1,36	70	41	200
IRG4PC50U	TO-247AC	8-60	600	2,00	55	27	200
IRG4PC50W	TO-247AC	60-150	600	2,30	55	27	200
IRG4PC60F	TO-247AC	1-8	600	1,80	90	60	520
IRG4PC60U	TO-247AC	8-60	600	2,00	75	40	520
IRG4PSC71K	TO-274AA	8-25	600	2,30	85	60	350
IRG4PSC71U	TO-274AA	8-60	600	2,00	85	60	350
IRG4RC10K	D-Pak	8-25	600	2,62	9	5	38
IRG4RC10S	D-Pak	?1	600	1,7	14	8	38
IRG4RC10U	D-Pak	8-60	600	2,6	8.5	5	38
IRG4RC20F	D-Pak	1-8	600	2,1	22	12	66
IRGB30B60K	TO-220AB	10-30	600	2,35	78	50	370
IRGB4B60K	TO-220AB	-	600	2,5	12	6,8	63
IRGB6B60K	TO-220AB	10-30	600	1,80	13	7	90
IRGB8B60K	TO-220AB	10-30	600	2,2	17	9,0	140
IRGS30B60K	D2-Pak	10-30	600	2,35	78	50	370
IRGS4B60K	D2-Pak	-	600	2,5	12	6,8	63
IRGS6B60K	D2-Pak	10-30	600	1,80	13	7	90
IRGS8B60K	D2-Pak	10-30	600	2,2	17	9,0	140
IRGSL30B60K	TO-262	10-30	600	2,35	78	50	370
IRGSL4B60K	TO-262	-	600	2,5	12	6,8	63
IRGSL6B60K	TO-262	10-30	600	1,80	13	7	90
IRGSL8B60K	TO-262	10-30	600	2,2	17	9,0	140

Андрей Образцов, Вячеслав Смердов

Литература:

1. Дьяконов В.П., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Москва: Солон-Р, 2002, 512с.
2. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение. Москва: Додэка, 2001, 384с.
3. www.irf.com.

РС11-2004

Главная