208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор полупроводниковых компонентов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — полупроводниковые компоненты, которые являются гибридом МОП-транзистора и биполярного транзистора. На Рис. 7.31 изображены в разрезе два типа IGBT.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) в разрезеРис. 7.31. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) в разрезе

Они имеют вертикальную структуру, которую мы уже встречали в предыдущих компонентах. IGBT является, по сути, биполярным p-n-p-транзистором, ток на базу которого подаётся с паразитного полевого транзистора между коллектором и базой. На Рис. 7.32 изображена эквивалентная схема, учитывающая паразитные элементы внутри IGBT. Конструкция у него такая же, как у n-канального МОП-транзистора, только с дополнительным слоем р+. Этот дополнительный p-n-переход является последовательным диодом, блокирующим внутренний диод МОП-транзистора.

Эквивалентная схема, учитывающая паразитные элементы внутри IGBTРис. 7.32. Эквивалентная схема, учитывающая паразитные элементы внутри IGBT

МОП-транзисторы имеют довольно большое сопротивление rDS (ON) при номинальном напряжении выше 500 В. По этой причине сильно возрастают потери проводимости по сравнению с биполярными транзисторами с тем же номинальным напряжением. К тому же потери проводимости МОП-транзистора возрастают с ростом температуры в связи с увеличением сопротивления в открытом состоянии.

Слой p+ в IGBT инжектирует неосновные носители заряда в эпитаксиальный обеднённый слой n-, что улучшает проводимость области дрейфа n-. Этот эффект подобен эффекту, возникающему в биполярных транзисторах. Такая модуляция проводимости слоем p+ способствует тому, что падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии относительно постоянно во всей области рабочих напряжений.

P-n-p-транзистор в IGBT полностью не насыщается, поэтому падение напряжения на нём в открытом состоянии никогда не бывает ниже падения напряжения на одном диоде и в типичных случаях составляет 1.0…3.0 В. Время запирания у IGBT намного лучше, чем у биполярного транзистора, потому что в данном случае отсутствует накопление заряда, вызванное эффектом насыщения. Поток электронов в IGBT прекращается сразу же, как только снимается напряжение с затвора, но ток в дрейфовой области продолжает течь, пока не рекомбинируют все дырки. Базовый переход p-n-p-транзистора не имеет внешнего подключения, поэтому нет возможности создавать отрицательный ток базы, чтобы выводить из дрейфовой области неосновные носители заряда в процессе запирания. Вследствие этого при запирании возникает небольшой остаточный ток.

Транзисторы со смыканием (PT) и без смыкания (NPT) имеют разные характеристики остаточного тока в зависимости от наличия той или иной полупроводниковой структуры, расположенной непосредственно над слоем p+. В PT-транзисторе слой p+ довольно толстый, и для управления временем жизни неосновных носителей заряда необходим слой n+. Область n+ делает РТ-транзистор очень сильно похожим на МОП-транзистор с дополнительным слоем p+. Вследствие большой глубины области неосновных носителей заряда РТ-транзисторы имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии. Управляя временем жизни неосновных носителей заряда в слое n+, можно увеличить быстродействие ценой повышения напряжения в открытом состоянии.

NPT-транзистор производится на более тонком кристалле, чем PT-транзистор. Область p+ очень слабо легируется, поэтому число неосновных носителей заряда, инжектируемых в дрейфовый слой, намного меньше. Меньшее число неосновных носителей заряда снижает время запирания. Преобладающее влияние на температурный коэффициент оказывает сопротивление дрейфовой области, поэтому температурный коэффициент напряжения открытого NPT-транзистора положителен. Более тонкий кристалл ограничивает номинальное напряжение величиной около 600 В. Для импульсных источников питания обычно выбирают NPT-транзисторы.

При напряжении ниже 250 В на всех рабочих частотах выгоднее всего использовать МОП-транзисторы. IGBT лучше всего применять при напряжениях выше 1000 В и на частотах до нескольких сот килогерц. В диапазоне напряжений 250…1000 В на частоте ниже 20 кГц очевидным выбором является IGBT, а на частотах выше 150 кГц — МОП-транзистор. Между этими диапазонами частот выбор IGBT или МОП-транзистора требует тщательного анализа затрат и эффективности.

IGBT ведёт себя подобно МОП-транзистору, за исключением напряжения в открытом состоянии и тока запирания. Время отпирания зависит от характеристик внутреннего МОП-транзистора и довольно мало. На характеристики управления затвора преобладающее влияние оказывают входная ёмкость и ёмкость Миллера. Напряжение управления затвором имеет ту же самую ступенчатую форму из-за эффекта Миллера, которую мы наблюдали в МОП-транзисторах. При управлении затвором, чтобы точнее учитывать работу схемы, нужно использовать суммарный заряд затвора, а не величины ёмкостей. Все рассмотренные нами схемы с МОП-транзисторами будут работать также и с IGBT. IGBT, как и МОП-транзисторы, не подвержены вторичному пробою. Область устойчивой работы ограничивается максимальным током и максимальным напряжением, как в МОП-транзисторе. IGBT также обладают устойчивостью к лавинному пробою, что позволяет применять их при напряжении, близком к максимальному.

208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220