Transistor IGBT
I transistor bipolari con gate isolato sono un nuovo tipo di dispositivi attivi apparsi relativamente di recente. Le sue caratteristiche di ingresso sono simili alle caratteristiche di ingresso di un transistor ad effetto di campo e le sue caratteristiche di uscita sono simili alle caratteristiche di uscita di un bipolare.
In letteratura, questo dispositivo è chiamato IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)... In termini di velocità, è significativamente superiore transistor bipolari... Molto spesso, i transistor IGBT vengono utilizzati come interruttori di alimentazione, dove il tempo di accensione è 0,2 - 0,4 μs e il tempo di spegnimento è 0,2 - 1,5 μs, le tensioni commutate raggiungono 3,5 kV e le correnti sono 1200 A .
I transistor IGBT-T sostituiscono i tiristori dei circuiti di conversione ad alta tensione e consentono di creare alimentatori secondari pulsati con caratteristiche qualitativamente migliori. I transistor IGBT-T sono ampiamente utilizzati negli inverter per il controllo di motori elettrici, in sistemi di alimentazione continua ad alta potenza con tensioni superiori a 1 kV e correnti di centinaia di ampere.In una certa misura, ciò è dovuto al fatto che nello stato acceso a correnti di centinaia di ampere, la caduta di tensione attraverso il transistor è compresa tra 1,5 e 3,5 V.
Come si può vedere dalla struttura del transistor IGBT (Fig. 1), si tratta di un dispositivo piuttosto complesso in cui un transistor pn-p è controllato da un transistor MOS a canale n.
Il collettore del transistor IGBT (Fig. 2, a) è l'emettitore del transistor VT4. Quando viene applicata una tensione positiva al gate, il transistor VT1 ha un canale elettricamente conduttivo. Attraverso di esso, l'emettitore del transistor IGBT (il collettore del transistor VT4) è collegato alla base del transistor VT4.
Ciò porta al fatto che è completamente sbloccato e la caduta di tensione tra il collettore del transistor IGBT e il suo emettitore diventa uguale alla caduta di tensione nella giunzione dell'emettitore del transistor VT4, sommata alla caduta di tensione Usi attraverso il transistor VT1.
A causa del fatto che la caduta di tensione nella giunzione p-n diminuisce con l'aumentare della temperatura, la caduta di tensione in un transistor IGBT sbloccato in un determinato intervallo di corrente ha un coefficiente di temperatura negativo, che diventa positivo ad alta corrente. Pertanto, la caduta di tensione attraverso l'IGBT non scende al di sotto della tensione di soglia del diodo (emettitore VT4).
Riso. 2. Circuito equivalente di un transistor IGBT (a) e il suo simbolo nella letteratura nativa (b) e straniera (c)
All'aumentare della tensione applicata al transistor IGBT, aumenta la corrente del canale, che determina la corrente di base del transistor VT4, mentre diminuisce la caduta di tensione attraverso il transistor IGBT.
Quando il transistor VT1 è bloccato, la corrente del transistor VT4 diventa piccola, il che rende possibile considerarlo bloccato. Vengono introdotti livelli aggiuntivi per disabilitare le modalità di funzionamento tipiche del tiristore quando si verifica un guasto da valanga. Lo strato tampone n + e l'ampia regione di base n– forniscono una riduzione del guadagno di corrente del transistor p — n — p.
Il quadro generale dell'accensione e dello spegnimento è piuttosto complesso, poiché ci sono cambiamenti nella mobilità dei portatori di carica, coefficienti di trasferimento di corrente nei transistor p — n — p e n — p — n presenti nella struttura, cambiamenti nelle resistenze del regioni, ecc. Sebbene in linea di principio i transistor IGBT possano essere utilizzati per funzionare in modalità lineare, mentre sono utilizzati principalmente in modalità chiave.
In questo caso, le variazioni delle tensioni di commutazione sono caratterizzate dalle curve mostrate in Fig.
Riso. 3. Variazione della caduta di tensione Uke e della corrente Ic del transistor IGBT
Riso. 4. Schema equivalente di un transistor di tipo IGBT (a) e sue caratteristiche corrente-tensione (b)
Gli studi hanno dimostrato che per la maggior parte dei transistor IGBT, i tempi di accensione e spegnimento non superano 0,5 - 1,0 μs. Per ridurre il numero di componenti esterni aggiuntivi, i diodi vengono introdotti nei transistor IGBT o vengono prodotti moduli costituiti da più componenti (Fig. 5, a - d).
Riso. 5. Simboli dei moduli dei transistor IGBT: a — MTKID; b — MTKI; c — M2TKI; d — MDTKI
I simboli dei transistor IGBT includono: lettera M — modulo privo di potenziale (la base è isolata); 2 — il numero di chiavi; lettere TCI - bipolare con copertura isolata; DTKI — Transistor bipolare/diodo con gate isolato; TCID — Transistor bipolare / Diodo a gate isolato; numeri: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — corrente massima; numeri: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — la tensione massima tra il collettore e l'emettitore Uke (* 100V). Ad esempio, il modulo MTKID-75-17 ha UKE = 1700 V, I = 2 * 75 A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Dottore in scienze tecniche, professore L.A. Potapov