טרנזיסטורי IGBT

טרנזיסטורים דו-קוטביים עם שער מבודד הם סוג חדש של מכשירים פעילים שהופיעו לאחרונה יחסית. מאפייני הקלט שלו דומים למאפייני הקלט של טרנזיסטור אפקט שדה ומאפייני המוצא שלו דומים למאפייני המוצא של דו קוטבי.

בספרות, מכשיר זה נקרא IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)... מבחינת מהירות הוא עדיף בצורה משמעותית טרנזיסטורים דו קוטביים... לרוב, טרנזיסטורי IGBT משמשים כמתגי כוח, כאשר זמן ההדלקה הוא 0.2 - 0.4 מיקרומטרים, וזמן הכיבוי הוא 0.2 - 1.5 מיקרומטרים, המתחים המתחלפים מגיעים ל-3.5 קילו וולט, והזרמים הם 1200 A .

טרנזיסטורי IGBT-T מחליפים תיריסטורים ממעגלי המרה של מתח גבוה ומאפשרים ליצור ספקי כוח משניים פולסים בעלי מאפיינים טובים יותר מבחינה איכותית. טרנזיסטורי IGBT-T נמצאים בשימוש נרחב בממירים לשליטה במנועים חשמליים, במערכות חשמל רציפות בעלות הספק גבוה עם מתחים מעל 1 קילו וולט וזרמים של מאות אמפר.במידה מסוימת, זה נובע מהעובדה שבמצב מופעל בזרמים של מאות אמפר, נפילת המתח על פני הטרנזיסטור היא בטווח של 1.5 - 3.5V.

כפי שניתן לראות ממבנה הטרנזיסטור IGBT (איור 1), מדובר במכשיר מורכב למדי שבו טרנזיסטור pn-p נשלט על ידי טרנזיסטור MOS n-channel.

אורז. 1. מבנה טרנזיסטור IGBT

הקולט של הטרנזיסטור IGBT (איור 2, א) הוא הפולט של הטרנזיסטור VT4. כאשר מתח חיובי מופעל על השער, לטרנזיסטור VT1 יש ערוץ מוליך חשמלי. באמצעותו, הפולט של הטרנזיסטור IGBT (הקולטן של הטרנזיסטור VT4) מחובר לבסיס הטרנזיסטור VT4.

זה מוביל לעובדה שהוא לא נעול לחלוטין ומפל המתח בין הקולט של הטרנזיסטור IGBT לפולט שלו הופך שווה למפל המתח בצומת הפולט של הטרנזיסטור VT4, המסוכם עם מפל המתח Usi על פני הטרנזיסטור VT1.

בשל העובדה שיפילת המתח בצומת p - n יורדת עם עליית הטמפרטורה, למפלת המתח בטרנזיסטור IGBT לא נעול בטווח זרם מסוים יש מקדם טמפרטורה שלילי, שהופך חיובי בזרם גבוה. לכן, ירידת המתח על פני ה-IGBT אינה יורדת מתחת למתח הסף של הדיודה (פולט VT4).

אורז. 2. מעגל שווה ערך של טרנזיסטור IGBT (א) והסמל שלו בספרות המקומית (ב) והזרה (ג)

ככל שהמתח המופעל על הטרנזיסטור IGBT עולה, זרם הערוץ גדל, מה שקובע את זרם הבסיס של הטרנזיסטור VT4, בעוד מפל המתח על פני הטרנזיסטור IGBT פוחת.

כאשר הטרנזיסטור VT1 נעול, הזרם של הטרנזיסטור VT4 הופך קטן, מה שמאפשר לשקול אותו כנעול. שכבות נוספות מוצגות כדי להשבית מצבי פעולה טיפוסיים לתיריסטורים כאשר מתרחשת התמוטטות מפולת. שכבת המאגר n + ואזור הבסיס הרחב n– מספקים הפחתה בהגברת הזרם של הטרנזיסטור p - n - p.

התמונה הכללית של הפעלה וכיבוי מורכבת למדי, שכן ישנם שינויים בניידות של נושאי מטען, מקדמי העברת זרם בטרנזיסטורים p - n - p ו-n - p - n הקיימים במבנה, שינויים בהתנגדויות של אזורים וכו'. למרות שבאופן עקרוני ניתן להשתמש בטרנזיסטורי IGBT כדי לפעול במצב ליניארי, בעוד שהם משמשים בעיקר במצב מפתח.

במקרה זה, השינויים במתחי המתג מאופיינים בעקומות המוצגות באיור.

אורז. 3. שינוי במפלת המתח Uke והזרם Ic של הטרנזיסטור IGBT

אורז. 4. דיאגרמה מקבילה של טרנזיסטור מסוג IGBT (א) ומאפייני מתח הזרם שלו (ב)

מחקרים הראו כי עבור רוב הטרנזיסטורים של IGBT, זמני ההפעלה והכיבוי אינם עולים על 0.5 - 1.0 מיקרומטר. כדי להפחית את מספר הרכיבים החיצוניים הנוספים, דיודות מוכנסות לטרנזיסטורי IGBT או מיוצרים מודולים המורכבים ממספר רכיבים (איור 5, א - ד).

אורז. 5. סמלים של מודולים של טרנזיסטורים IGBT: a — MTKID; ב - MTKI; c - M2TKI; ד - MDTKI

הסמלים של טרנזיסטורי IGBT כוללים: האות M - מודול נטול פוטנציאל (הבסיס מבודד); 2 - מספר המפתחות; אותיות TCI - דו קוטבי עם כיסוי מבודד; DTKI - דיודה / טרנזיסטור דו קוטבי עם שער מבודד; TCID - טרנזיסטור דו קוטבי / דיודה שער מבודדת; מספרים: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 - זרם מרבי; מספרים: 1, 2, 5, 6, 10, 12 - המתח המרבי בין הקולט לפולט Uke (* 100V). לדוגמה, למודול MTKID-75-17 יש UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3.5 V, PKmax = 625 W.

דוקטור למדעים טכניים, פרופסור L.A. Potapov