Что такое IGBT транзистор?

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) сочетают в себе легко управляемый МОП-затвор (от аббревиатуры Металл-Оксид-Проводник) и низкие потери проводимости. Этот вид транзисторов быстро вытесняют силовые биполярные транзисторы в качестве предпочтительного устройства для сильноточных и высоковольтных приложений. Баланс компромиссов между скоростью переключения, потерями проводимости и надежностью в настоящее время точно настраивается, так что IGBT вторгаются в область высоких частот и высокой эффективности мощных MOSFET. На самом деле, отраслевая тенденция заключается в том, что IGBT заменяют силовые MOSFET-транзисторы, за исключением приложений с очень низким током.

Как выбрать IGBT транзистор?

Ответы на следующий набор вопросов помогут определить, какой IGBT подходит для конкретного применения.

Какое рабочее напряжение? Максимальное напряжение, которое должен блокировать IGBT, не должно превышать 80 % от номинального значения VCES.
Жесткое или мягкое переключение? Устройство PT (Punch-Through) лучше подходит для мягкого переключения из-за меньшего выходного тока, однако устройство NPT (Non Punch-Through) также будет работать.
Какой ток будет протекать через устройство? Первые две цифры в номере детали дают приблизительное представление о используемом токе. Для приложений с жесткой коммутацией график полезной частоты по отношению к току помогает определить, подходит ли устройство для приложения.
Какова желаемая скорость переключения? Если ответ «чем выше, тем лучше», то лучшим выбором будет устройство PT. Опять же, график полезной частоты по отношению к току может помочь ответить на этот вопрос для приложений с жесткой коммутацией.
Требуется ли устойчивость к короткому замыканию? Для таких приложений, как моторные приводы, ответ положительный, и частота коммутации также имеет тенденцию быть относительно низкой. Потребуется устройство NPT. Импульсные источники питания часто не требуют защиты от короткого замыкания.

Как работает IGBT транзистор?

N-канальный IGBT в основном представляет собой N-канальный мощный полевой МОП-транзистор, построенный на подложке p-типа. Работа IGBT очень похожа на силовой MOSFET. Положительное напряжение, прикладываемое эмиттером к клеммам затвора, заставляет электроны притягиваться к клемме затвора в области тела. Если напряжение затвор-эмиттер равно пороговому напряжению или превышает его, к затвору притягивается достаточное количество электронов, чтобы сформировать проводящий канал в области тела, позволяя току течь от коллектора к эмиттеру. (Если быть точным, он позволяет электронам течь от эмиттера к коллектору.) Этот поток электронов притягивает положительные ионы или дырки из подложки p-типа в дрейфовую область к эмиттеру.

Сравнение PT и NPT технологий

Потеря проводимости

Для заданной скорости переключения технология NPT обычно имеет более высокое значение V_{CE (on)}, чем технология PT. Эта разница усиливается еще тем фактом, что V_{CE (on)} увеличивается с температурой для NPT (положительный температурный коэффициент), тогда как V_{CE (on)} для PT уменьшается с температурой (отрицательный температурный коэффициент). Однако для любого IGBT, будь то PT или NPT, коммутационные потери компенсируются V_{CE (on)}. IGBT с более высокими скоростями имеют более высокое значение V_{CE (on)}; IGBT с более низкой скоростью имеют более низкое V_{CE (on)}. На самом деле, возможно, что очень быстрое устройство PT может иметь более высокое значение V_{CE (on)}, чем устройство NPT с более низкой скоростью переключения.

Коммутационные потери

Для одинакового V_{CE (on)} PT IGBT имеют более высокую скорость переключения с меньшей общей энергией переключения. Это связано с более высоким усилением и сокращением времени жизни неосновных носителей, что гасит остаточный ток.

Прочность

NPT IGBT обычно рассчитаны на короткое замыкание, в то время как устройства PT часто этого не делают, и NPT IGBT могут поглощать больше лавинной энергии, чем PT IGBT. Технология NPT более надежна из-за более широкой базы и меньшего коэффициента усиления биполярного транзистора PNP. Это основное преимущество, полученное путем компромисса скорости переключения с технологией NPT. Трудно изготовить PT IGBT с напряжением VCES более 600 В, в то время как это легко сделать с помощью технологии NPT.

Температурные эффекты

Как для PT, так и для NPT IGBT скорость включения и потери практически не зависят от температуры. Однако ток обратного восстановления в диоде увеличивается с температурой, поэтому температурные эффекты внешнего диода в силовой цепи влияют на потери при включении IGBT. Для NPT IGBT скорость выключения и коммутационные потери остаются относительно постоянными в диапазоне рабочих температур. Для PT IGBT скорость выключения снижается, а коммутационные потери соответственно увеличиваются с ростом температуры. Тем не менее, коммутационные потери изначально малы из-за гашения хвостового тока.

Как упоминалось ранее, NPT IGBT обычно имеют положительный температурный коэффициент, что делает их подходящими для параллельного подключения. Для параллельных устройств желателен положительный температурный коэффициент, потому что горячее устройство будет проводить меньший ток, чем более холодное, поэтому все параллельные устройства, как правило, разделяют ток. Однако ошибочно полагать, что PT IGBT нельзя использовать параллельно из-за их отрицательного температурного коэффициента. PT IGBT можно включать параллельно по следующим причинам:

Их температурные коэффициенты стремятся к нулю, а иногда и положительны при более высоком токе.
Разделение тепла через радиатор имеет тенденцию вынуждать устройства делиться током, потому что горячее устройство будет нагревать своих соседей, тем самым снижая их напряжение во включенном состоянии.
Параметры, влияющие на температурный коэффициент, как правило, хорошо согласованы между устройствами.

Datasheet (спецификация) и как ее читать?

Цель datasheet спецификаций, состоит в том, чтобы включать релевантную информацию, полезную и удобную для разработчика, как для выбора подходящего устройства, так и для прогнозирования его производительности в приложении. Графики позволяют разработчику экстраполировать от одного набора рабочих условий к другому. Тем не менее, следует отметить, что результаты испытаний очень сильно зависят от схемы, особенно от паразитной индуктивности эмиттера, а также от паразитной индуктивности коллектора и конструкции схемы управления затвором. Различные тестовые схемы дают разные результаты.

Далее приведены определения терминов в datasheet спецификациях, а также дополнительные сведения о характеристиках IGBT.

Расшифровка названия

Datasheet спецификация предоставляет расшифровку названия изделия. Обычно оно начинается с нескольких букв, которые обозначает название производителя. Название IGBT транзистора также зачастую имеет в названии параметр V_CE. Для более подробной информации смотрите Package Parameters или Ordering Information которая также поможет разобраться с типами доступных корпусов.

Предельные параметры

V_CES — напряжение коллектор-эмиттер

Это оценка максимального напряжения между выводами коллектора и эмиттера при замыкании затвора на эмиттер. Это максимальное значение, и в зависимости от температуры максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер может быть меньше, чем значение V_CES.

V_GE — напряжение затвор-эмиттер

V_GE — это максимальное постоянное напряжение между выводами затвора и эмиттера. Целью этого рейтинга является предотвращение пробоя оксида затвора и ограничение тока короткого замыкания. Фактическое напряжение пробоя оксида затвора значительно выше, но постоянное поддержание этого значения обеспечивает надежность применения.

V_GEM — переходное напряжение затвор-эмиттер

V_GEM — максимальное импульсное напряжение между выводами затвора и эмиттера. Цель этой оценки - предотвратить разрушение оксида затвора. Переходные процессы на затворе могут быть вызваны не только приложенным сигналом управления затвором, но часто, что более важно, паразитной индуктивностью в цепи управления затвором, а также обратной связью через емкость затвор-коллектор. Если на затворе больше звона, чем на VGEM, вероятно, необходимо уменьшить индуктивность цепи рассеяния и/или увеличить сопротивление затвора, чтобы снизить скорость переключения. В дополнение к схеме силовой цепи схема схемы управления затвором имеет решающее значение для минимизации эффективной площади контура управления затвором и, как следствие, паразитных индуктивностей.

Если используется фиксирующий стабилитрон, рекомендуется подключать его между драйвером затвора и резистором затвора, а не напрямую к клемме затвора. Отрицательный привод затвора не обязателен, но может использоваться для достижения максимальной скорости переключения, избегая включения, вызванного dv/dt.

Двигатели DC и BLDC