IGBT-Transistoren
Bipolartransistoren mit isoliertem Gate sind ein neuer Typ aktiver Geräte, der erst vor relativ kurzer Zeit auf den Markt kam. Seine Eingangseigenschaften ähneln den Eingangseigenschaften eines Feldeffekttransistors und seine Ausgangseigenschaften ähneln den Ausgangseigenschaften eines Bipolartransistors.
In der Literatur wird dieses Gerät als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) bezeichnet... In puncto Geschwindigkeit ist es deutlich überlegen Bipolartransistoren... Am häufigsten werden IGBT-Transistoren als Leistungsschalter verwendet, bei denen die Einschaltzeit 0,2 – 0,4 μs und die Ausschaltzeit 0,2 – 1,5 μs beträgt, die geschalteten Spannungen 3,5 kV erreichen und die Ströme 1200 A betragen .
IGBT-T-Transistoren ersetzen Thyristoren aus Hochspannungsumwandlungsschaltungen und ermöglichen die Erstellung gepulster Sekundärstromversorgungen mit qualitativ besseren Eigenschaften. IGBT-T-Transistoren werden häufig in Wechselrichtern zur Steuerung von Elektromotoren und in Hochleistungs-Dauerstromsystemen mit Spannungen über 1 kV und Strömen von Hunderten von Ampere eingesetzt.Dies ist zum Teil auf die Tatsache zurückzuführen, dass im eingeschalteten Zustand bei Strömen von Hunderten von Ampere der Spannungsabfall am Transistor im Bereich von 1,5 bis 3,5 V liegt.
Wie aus der Struktur des IGBT-Transistors (Abb. 1) ersichtlich ist, handelt es sich um ein recht komplexes Gerät, bei dem ein pn-p-Transistor von einem n-Kanal-MOS-Transistor gesteuert wird.
Der Kollektor des IGBT-Transistors (Abb. 2, a) ist der Emitter des VT4-Transistors. Wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird, hat der Transistor VT1 einen elektrisch leitenden Kanal. Dadurch ist der Emitter des IGBT-Transistors (der Kollektor des VT4-Transistors) mit der Basis des VT4-Transistors verbunden.
Dies führt dazu, dass es vollständig entsperrt ist und der Spannungsabfall zwischen dem Kollektor des IGBT-Transistors und seinem Emitter gleich dem Spannungsabfall am Emitterübergang des VT4-Transistors wird, summiert mit dem Spannungsabfall Usi am VT1-Transistor.
Aufgrund der Tatsache, dass der Spannungsabfall am p-n-Übergang mit steigender Temperatur abnimmt, weist der Spannungsabfall in einem entsperrten IGBT-Transistor in einem bestimmten Strombereich einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, der bei hohem Strom positiv wird. Daher fällt der Spannungsabfall am IGBT nicht unter die Schwellenspannung der Diode (VT4-Emitter).
Reis. 2. Ersatzschaltbild eines IGBT-Transistors (a) und sein Symbol in der einheimischen (b) und ausländischen (c) Literatur
Wenn die an den IGBT-Transistor angelegte Spannung zunimmt, erhöht sich der Kanalstrom, der den Basisstrom des VT4-Transistors bestimmt, während der Spannungsabfall am IGBT-Transistor abnimmt.
Wenn der Transistor VT1 gesperrt ist, wird der Strom des Transistors VT4 klein, was es ermöglicht, ihn als gesperrt zu betrachten. Zusätzliche Schichten werden eingeführt, um die Thyristor-typischen Betriebsmodi im Falle eines Lawinendurchschlags zu deaktivieren. Die Pufferschicht n + und der breite Basisbereich n– sorgen für eine Reduzierung der Stromverstärkung des p-n-p-Transistors.
Das allgemeine Bild des Ein- und Ausschaltens ist recht komplex, da sich die Beweglichkeit der Ladungsträger, die Stromübertragungskoeffizienten in den in der Struktur vorhandenen p-n-p- und n-p-n-Transistoren sowie die Widerstände der Regionen usw. . Obwohl IGBT-Transistoren prinzipiell für den Betrieb im linearen Modus verwendet werden können, werden sie hauptsächlich im Tastmodus verwendet.
In diesem Fall werden die Änderungen der Schalterspannungen durch die in Abb. gezeigten Kurven charakterisiert.
Reis. 3. Änderung des Spannungsabfalls Uke und des Stroms Ic des IGBT-Transistors
Reis. 4. Äquivalentes Diagramm eines IGBT-Transistors (a) und seine Strom-Spannungs-Kennlinie (b)
Studien haben gezeigt, dass die Ein- und Ausschaltzeiten bei den meisten IGBT-Transistoren 0,5 – 1,0 μs nicht überschreiten. Um die Anzahl zusätzlicher externer Komponenten zu reduzieren, werden Dioden in IGBT-Transistoren eingebracht oder Module bestehend aus mehreren Komponenten hergestellt (Abb. 5, a – d).
Reis. 5. Symbole der Module von IGBT-Transistoren: a — MTKID; b – MTKI; c – M2TKI; d – MDTKI
Zu den Symbolen von IGBT-Transistoren gehören: Buchstabe M – potenzialfreies Modul (die Basis ist isoliert); 2 – die Anzahl der Schlüssel; Buchstaben TCI – bipolar mit isolierter Abdeckung; DTKI – Diode/Bipolartransistor mit isoliertem Gate; TCID – Bipolarer Transistor / isolierte Gate-Diode; Zahlen: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 – maximaler Strom; Zahlen: 1, 2, 5, 6, 10, 12 – die maximale Spannung zwischen Kollektor und Emitter Uke (* 100 V). Das Modul MTKID-75-17 hat beispielsweise UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Doktor der technischen Wissenschaften, Professor L.A. Potapov