Гибридный силовой транзистор IGBT — статистические и динамические свойства

Гибридный силовой транзистор IGBT — статистические и динамические свойства

Самым многообещающим направлением сотворения современных силовых транзисторов являются комбинированные биполярно-полевые структуры, сочетающие принцип полевого управления и биполярный механизм переноса тока. Более всераспространен вариант конструкции, именуемый биполярным транзистором с изолированным затвором, либо IGBT. Базисная ячейка схожей конструкции показана на рис. 1 и представляет собой схему составных биполярного транзизстора (БТ) и полевого транзистора (МОПТ). Цельное выполнение IGBT произвело реальную революцию в преобразовательной технике, существенно приблизив характеристики силового транзистора к требованиям безупречного главного элемента.

Но животрепещущими задачками все еще остаются понижение остаточного падения напряжения на IGBT в проводящем состоянии и улучшение стойкости прибора к токовым и температурным перегрузкам. Биполярный p-n-p-транзистор, входящий в состав ячейки IGBT, нереально перевести в режим насыщения: он принципно остается в активном режиме. Это приводит к тому, что падение напряжения на открытом IGBT составляет единицы вольт, уступая в пару раз силовым биполярным транзисторам (БТ) и тиристорам. Не считая того, коллектор БТ, входящий в базисную ячейку IGBT, и область истока полевого транзистора МОПТ нужно шунтировать общей металлизацией для угнетения активной работы паразитной p-n-p-n-структуры, самопроизвольно включающейся в режимах перегрузки (эффект «защелкивания» в IGBT, приводящий к потере маневренности ключом).

Все эти трудности требуют неизменного усовершенствования технологий IGBT, основным направлением развития которых является изменение картины рассредотачивания профиля носителей в базисной области прибора (разработка Trench-Gate с эффектами усиленной инжекции и скопления носителей). Но подобные решения очень дорогостоящи, технологически сложны и доступны только для глобальных фаворитов в области сотворения силовых устройств.

Остановимся на неких физических явлениях в структуре IGBT, позволяющих предложить техническое решение обозначенных выше заморочек. Во-1-х, это базовый эффект смыкания p-областей большого заряда в канале IGBT, разрешающий использовать низковольтный полевой транзистор МОПТ в цельной структуре прибора. За счет данного эффекта обеспечивается статическая и динамическая отсечка высочайшего потенциала со стороны коллектора. Во-2-х, одним из вероятных вариантов, подавляющих эффект «защелкивания», является разделение p-областей коллектора составного биполярного транзизстора БТ и истока низковольтного полевого транзистора МОПТ. В цельной ячейке IGBT этого достигнуть фактически нереально. Вот почему и было предложено разделение структуры IGBT на два отдельных монокристалла: высоковольтный p-i-n-диод с полевым управлением (аналог силового тиристора с электростатическим управлением — ТЭУ) и низковольтный управляющий полевой транзистор. В структуре ключа оба монокристалла соединены по гибридной технологии (рис. 2), что и обусловило его заглавие — гибридный IGBT (H-IGBT).

[pic 1]
Рис. 1. Структура базисной ячейки IGBT силового транзистора
[pic 2]
Рис. 2. Структура гибридного IGBT транзистора.

Аббревиатура IGBT в заглавии гибридного ключа оставлена по последующим суждениям:

1. Эквивалентные схемы гибридного и цельного IGBT фактически совпадают [1].
2. Многофункциональные аналоги обоих транзисторов располагаются в схожих серийных корпусах и имеют однообразные массо-габаритные характеристики.
3. Сравнительное исследование динамических характеристик силовых модулей и дискретных ключей данных аналогов показывает идентичные, а в ряде всевозможных случаев однообразные характеристики.

4. Управление обоими типами ключей осуществляется от схожих серийных драйверов.

В то же время гибридный IGBT имеет целый ряд преимуществ:

1. Остаточное падение напряжения значительно меньше, чем у цельных IGBT за счет насыщения внутреннего p-n-p-транзистора.
2. Стопроцентно подавлен эффект «защелкивания».
3. Каскадная схема соединения приводит к значительному уменьшению эффекта Миллера в переходном процессе переключения гибридного IGBT.
4. Значительно увеличена стойкость к эффекту dU/dt, что позволяет обходиться без источника отрицательного смещения в цепи затвора.

5. Доступ к целому ряду соответствующих точек конструкции ключа позволяет считывать важную информацию о его работе. Главные свойства, характеристики и конструктивные особенности гибридного IGBT довольно тщательно подверглись рассмотрению в прошлых статьях, размещенных в журнальчике «Силовая электроника». В истинной статье приводятся новые результаты исследования вольт-амперных черт (ВАХ) гибридных IGBT с разным временем жизни носителей, приобретенным средством электрического облучения.