IGBT транзистори


Категория на документа: Други


1.Въведение

За последните две десетилетия електронната техника бележи изключително голям подем, като развитието става във всички технологични посоки. Една от най-перспективните области на електронната техника е силовата електроника.
Съвременните изисквания към силовата електроника са свързани с преобразуването на електрическата енергия при минимални размери и ефективност на устройството чрез промяна на параметрите ток, напрежение, честота. Основен инструмент на силовата електроника са електронните ключове. Съвременната компонентна база включва редица прибори като: неуправляеми ключове - диоди; частично управляеми ключове - тиристори, симистори; напълно управляеми ключове - биполярни транзистор (BJT), полеви транзистори с p-n преход (JFET), IGBT, MOSFET и др. В голямата си част съвременните електроните ключове се произвеждат на база на силиций (Si), актуално е развитието на технологии включват силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN). Най-популярни и достъпни при изграждане на силови електронни устройства към момента са IGBT и MOSFET ключовете. На пазара съществуват редица наложили се производители, които предлагат значително количество прибори с различни параметри.Това дава възможност за гъвкав дизайн и позволява при проектиране на силови
електронни устройства подбора на ключовете да става при избор от голямо множество прибори. Едновременно се появяват въпроси свързани с правилния избор на прибори, което поради голямото разнообразие често може да бъде сравнително трудна задача. Отчитайки тези въпроси, настоящата публикация си поставя за цел да направи кратък
обобщен и сравнителен анализ на технологичното състояние на електронните прибори IGBT и MOSFET Анализът проследява развитието на приборите за интервал от 5 години, като в същото време ги сравнява по техните основни параметри и характеристики свързани с максимално допустимите им натоварвания, оценка на загубите в приборите, като и икономически аспекти.

ПЪРВА ГЛАВА

ОБЗОР НА ИЗИСКВНИЯТА ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА IGBT

1.1 Принцип на действие на мощни IGBT

1.1.1. Структура на IGBT

IGBT приборите представляват комбинация от MOS транзистор на входа и мощен биполярен транзистор на изхода. На фиг.1.1 е показана структурата на прибора, еквивалентната схема и графичното му означение.

Фиг.1.1 а)структура на IGBT; б)еквивалентна схема; в) графично означение.

Прибора има три електрода: G-гейт, С-колектор, и Е-емитер. Структурата на IGBT наподобява донякъде структурата на MOS транзистора. Разликата е, че обогатеният N+ слой на дрейна е заменен с обогатен р+ слой на колектора в IGBT. Подобно на MOS транзистора, IGBT има високо входно съпротивление, но същевременно в отпушено състояние има и характеристиките на биполярен транзистор. При подаване на положително напрежение на гейта спрямо емитера, което е над определена прагова стойност, в P областта се индуцира N канал. В резултат прехода база-емитер на PNP транзистора се поляризира в права посока и това довежда до инжекция на дупки в N-областта. Дупките преминават през обратно поляризирания колекторен преход P+N- на транзистора и осигуряват колекторен ток. Инжекцията на неосновни токоносители променя проводимостта на N-областта, довеждайки до значително намаляване на съпротивлението на отпушения прибор в сравнение с MOS транзистора. Значителният емитерен ток на PNP транзистора довежда до пад на напрежение. Този пад поляризира в права посока прехода база-eмитер на NPN транзистора и го отпушва. Налице е положителна връзка между двата транзистора PNP и NPN, характерна за тиристорна структура. Прибора се отпушва. За отпушване на прибора обикновено е необходимо прагово напрежение от 10-12V. За запушване е достатъчно нулево напрежение гейт-емитер(UGE). За по надеждното запушване е препоръчително подаването на отрицателно напрежение гейт-емитер в диапазона UGE = (-10 ÷ -18)V.

Структурно IGBT се делят нa [развитие на силовите полупроводникови елементи в схемите за индукционно нагряване]:

- РТ (punch -through) - тези прибори имат допълнително вграден буферен слой, притежават ниска устойчивост на късо съединение и поглъщат голяма лавинна енергия.

По скоростта на изключване могат да се сравняват с мощните MOSFET. Съвременните РТ IGBT се произвеждат като модулни линии Power MOST 7 и имат намалени загуби в права посока на проводимостта и увеличена устойчивост на скорост на нарастване на напрежението dU/dt;

- NРТ (non - punch -through) - буферния слой липсва и това води до намаляне на правия спад на напрежение колектор-емитер UСE. Като недостатък се появяват загубите при включване на високи честоти. Този вид са по-бавни от РТ. Двата вида транзистори се произвеждат за напрежение UСE = 600 и 1200V и постоянен ток IС до 50А и антипаралелен диод (обратно свързан паралелно на транзистора - FRD).
1.1.2. Характеристики и параметри на IGBT

На фиг.1.2 са показани изходните характеристики на IGBT, които се определят от зависимостите при

Фиг.1.2. Изходни характеристики на IGBT транзистор

Напрежението колектор-емитер е сума от напреженията дрейн-сорс на MOSFET и емитер-база на PNP транзистора. Последното трябва да има определена стойност, за да се гарантира отпушването на съответния PN преход. В тази връзка, изходните характеристики не започват от началото на координатната система.

На фиг.1.3 е представено семейство проходни характеристики, заснети при различни температури. Видът му се определя от влиянието на температурата върху праговото напрежение и подвижността на носителите в индуцирания канал. Полезно за практиката е да се подчертае, че както и в MOSFET, при повишаване на температурата се намалява праговото напрежение, но в областта на големите токове температурният коефициент на колекторния ток е отрицателен, поради намаляване на подвижността на токоносителите .

Фиг.1.3. Семейство проходни характеристики

Параметрите на IGBT могат да бъдат класифицирани в няколко групи.

Безспорно, първостепенно значение за надеждната работа на елемента имат максимално допустимите параметри. Като такива за IGBT се дефинират следните величини:

- температурен обхват на кристала , в който транзисторът работи и температурен обхват на съхранение на елемента в неработещо състояние. Понякога в каталозите се дава максималната стойност на температурния обхват ;

- максимално напрежение колектор-емитер (или - Collector-Emitter Voltage), до което транзисторът работи нормално (фиг.1.2). максималното постоянно напрежение колектор-емитер UCES е напрежението, при което модулът продължава да работи нормално. То се измерва със свързани накъсо гейт и емитер. Най-често използваните стойности са 600, 1200 и 1700 V, но вече има модули с напрежение 3300 и 6500 V. Сравнително рядко вместо UCES се дава напрежението на пробив колектор-емитер (Collector-Emitter Breakdown Voltage) V(BR)CEO, при което настъпва лавинен пробив.

- напрежение на пробив колектор-емитер (фиг.1.2). Прието е, че лавинният пробив започва, когато при запушен транзистор , колекторният ток нараства над една регламентирана в каталозите стойност;

- максимално напрежение гейт-емитер , определено от дебелината и свойствата на изолиращия слой между G и Е. Напрежението може да е двуполярно и е обикновено между 10 и 30 V;



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
IGBT транзистори 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.