Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs oder IGBTs). Schema, Beschreibung

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Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) (englische Abkürzung IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) sind Halbleiterbauelemente, die am Eingang einen Feldeffekttransistor und am Ausgang einen bipolaren Transistor haben.

Eine dieser Kombinationen ist in Abb. dargestellt. 7.4. Das Gerät wird über die Ausgänge des Bipolartransistors E (Emitter) und C (Kollektor) in den Stromkreis und über den Ausgang G (Gate) in den Steuerkreis eingeführt.

Somit hat IGBT drei äußere Terminals: Emitter, Kollektor, Gate. Emitter- und Drain- (D), Basis- und Source-Anschlüsse (S) sind intern. Durch die Kombination zweier Geräte in einer Struktur konnten die Vorteile von Feldeffekt- und Bipolartransistoren kombiniert werden: hoher Eingangswiderstand bei hoher Strombelastung und niedriger Durchlasswiderstand.

Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs oder IGBTs)
Reis. 7.4. Eine der Optionen ist die Strombelastung und der niedrige Widerstand in der IGBT-Struktur im eingeschalteten Zustand.

IGBT-Struktur

Ein schematischer Ausschnitt der IGBT-Struktur ist in Abb. dargestellt. 7.5. Der Bipolartransistor (Abb. 7.5, a) besteht aus den Schichten p + (Emitter), n (Basis), p (Kollektor); Feld - Schichten n (Source), n + (Drain) und eine Metallplatte (Gate). Die Schichten p+ und p verfügen über externe Leitungen, die in den Stromkreis einbezogen sind. Der Verschluss verfügt über einen Ausgang, der in den Steuerkreis einbezogen ist.

Auf Abb. 7.5, b gezeigt IGBT-Struktur der XNUMX. Generation, hergestellt nach der „Recessed“-Channel-Technologie (Trench-Gate-Technologie), die es ermöglicht, den Widerstand zwischen p-Basen zu eliminieren und die Größe des Geräts um ein Vielfaches zu reduzieren.

Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs oder IGBTs)
Reis. 7.5. IGBT-Strukturen: a – Struktur eines Standardtransistors; b- Struktur eines Transistors, der mit der Trench-Gate-Technologie erstellt wurde

Funktionsprinzip und Funktionen

Inklusionsprozess IGBT kann in zwei Stufen unterteilt werden:

Stufe 1 – nach dem Anlegen einer positiven Spannung zwischen Gate und Source wird der Feldeffekttransistor geöffnet (ein n-Kanal wird zwischen Source und Drain gebildet);
Stufe 2 – Die Ladungsbewegung vom Bereich n zum Bereich p führt zum Öffnen des Bipolartransistors und zum Auftreten eines Stroms vom Emitter zum Kollektor.

Somit kann die Feldeffekttransistor steuert den Betrieb eines bipolaren. Bei IGBTs mit einer Nennspannung im Bereich von 600–1200 V im voll eingeschalteten Zustand liegt der Durchlassspannungsabfall, ebenso wie bei Bipolartransistoren, im Bereich von 1,5–3,5 V.

Dies ist deutlich geringer als der typische Spannungsabfall leitfähiger Leistungs-MOSFETs mit den gleichen Nennspannungen.

Andererseits haben MOSFETs mit Nennspannungen von 200 V und darunter eine geringere Durchlassspannung als IGBTs und bleiben in dieser Hinsicht bei niedrigen Betriebsspannungen und Schaltströmen bis 50 A unschlagbar.

In puncto Geschwindigkeit sind IGBTs MOSFETs unterlegen, bipolaren jedoch deutlich überlegen. Typisch Resorptionszeitwerte Die akkumulierte Ladung und der Stromabfall beim Ausschalten des IGBT liegen im Bereich von 0,2–0,4 bzw. 0,2–1,5 µs.

Sicherer Arbeitsbereich IGBT kann seinen zuverlässigen Betrieb ohne den Einsatz zusätzlicher Schaltkreise zur Bildung des Schaltpfades bei Frequenzen von 10 bis 20 kHz für Module mit Nennströmen von mehreren hundert Ampere erfolgreich gewährleisten. Solche Eigenschaften besitzen Bipolartransistoren, die nach der Darlington-Schaltung geschaltet sind, nicht.

So wie diskrete MOSFETs bipolare MOSFETs in Schaltnetzteilen bis zu 500 V ersetzt haben, tun diskrete IGBTs dasselbe in Stromversorgungen mit höherer Spannung (bis zu 3500 V).

IGBT-Module

IGBT-Modul nach internem Schaltplan kann darstellen:

einzelner IGBT;
Doppelmodul (Halbbrücke), bei dem zwei IGBTs in Reihe geschaltet sind (Halbbrücke);
Chopper, bei dem ein einzelner IGBT mit einer Diode in Reihe geschaltet ist;
einphasige oder dreiphasige Brücke.

Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs oder IGBTs)
Reis. 7.6. Schemata von IGBT-Modulen: a - einzelner IGBT; b - Doppelmodul; c - Kollektorschalter (Chopper); g - Emitterunterbrecher (Chopper)

In allen Fällen, mit Ausnahme des Unterbrechers, enthält das Modul parallel zu jedem IGBT eine eingebaute Flyback-Diode. Die gängigsten Anschlusspläne für IGBT-Module sind in Abb. 7.6 dargestellt. XNUMX.

Die Hauptunterschiede zwischen einzelnen Elementen und Modulen

Der Hauptunterschied zwischen diskreten Geräten und Hochstrommodulen liegt in der Art und Weise, wie sie elektrisch mit anderen Schaltungselementen verbunden sind. Diskrete Bauteile werden durch Löten mit den Schaltungselementen auf der Leiterplatte verbunden.

Der Maximalwert der Ströme in den Kontaktanschlüssen der Leiterplatte überschreitet im stationären Betrieb üblicherweise nicht mehr als 100 A. Dadurch ergeben sich natürliche Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl der parallel geschalteten Komponenten. Hochstrommodule hingegen verfügen über Schraubklemmen. Daher können sie an Kabelschuhen oder direkt an Stromschienen angeschlossen werden. Die Hochstrommodule können auch über Durchgangslöcher direkt mit der Leiterplatte verbunden werden.

Module sind in drei Versionen erhältlich:

nach einem Ein-Schlüssel-Schema (MDTKI-Reihe);
nach dem Zwei-Schlüssel-Schema (M2TKI);
nach dem Schema eines Stromunterbrechers, Chopper (MTKID-Serie).

Die Transistoren werden durch Flyback-Dioden überbrückt, bei denen es sich um Super Fast Recovery Soft Recovery Diodes (FRDs) handelt.

Autor: Koryakin-Chernyak S.L.

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