Как работает IGBT-транзистор

IGBT-транзистор (биполярный транзистор с изолированным затвором, БТИЗ) — это силовой полупроводниковый ключ, который сочетает полевое управление напряжением на затворе с биполярной проводимостью силового канала. Благодаря этому он управляется малой мощностью, как полевой транзистор, а падение напряжения в открытом состоянии держит низким, как биполярный. Ниже разбираем, как работает IGBT-транзистор: его внутреннюю структуру, ключевой режим, природу потерь, требования к драйверу затвора и область применения.

По функции IGBT — управляемый электронный ключ: он либо проводит силовой ток между коллектором и эмиттером, либо запирается, блокируя приложенное напряжение. Управление ведётся напряжением на изолированном затворе, поэтому в статике цепь управления почти не потребляет тока. Такое сочетание сделало IGBT основным прибором силовой электроники в диапазоне средних и высоких напряжений.

Что такое IGBT и как он устроен

IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) — трёхэлектродный силовой прибор с выводами коллектор (C), эмиттер (E) и затвор (G). Силовой ток течёт по цепи коллектор — эмиттер, а управляет им напряжение затвор — эмиттер. В одной полупроводниковой структуре объединены два прибора: маломощный полевой МОП-транзистор с n-каналом, образующий канал управления, и мощный биполярный p-n-p транзистор, образующий силовой канал. МОП-часть открывает биполярную, поэтому прибор управляется напряжением, а ток проводит по биполярному механизму.

Ключевая идея IGBT — полевое управление напряжением на затворе плюс биполярная проводимость силового канала с модуляцией сопротивления базовой области.

Внутренняя структура

Вертикально IGBT представляет собой четырёхслойную структуру. Сверху сформирована управляющая МОП-структура с изолированным затвором и n⁺-эмиттером; ниже лежит толстая слаболегированная n⁻-дрейфовая (базовая) область, которая держит блокирующее напряжение; снизу расположен p⁺-слой коллектора, инжектирующий дырки. Именно нижний p⁺-слой отличает IGBT от полевого транзистора и обеспечивает биполярную проводимость.

При открывании p⁺-коллектор инжектирует дырки в n⁻-область; одновременно через n-канал МОП-части приходят электроны. Двойная инжекция носителей насыщает дрейфовую область носителями заряда — происходит модуляция проводимости, и сопротивление толстого высоковольтного слоя резко падает. Поэтому IGBT сохраняет низкое падение напряжения даже при высоком классе блокирующего напряжения — там, где полевой транзистор имел бы большое сопротивление открытого канала.

В структуре присутствует паразитный n-p-n транзистор, который вместе с основным p-n-p образует четырёхслойную тиристорную структуру. При её самопроизвольном включении (защёлкивании, latch-up) прибор теряет управляемость. Современная конструкция подавляет этот эффект, но превышение предельных токов и температур остаётся опасным.

Разновидности структуры

Приборы различают по устройству дрейфовой области и затвора:

• по вертикальной структуре — проникающего типа (PT, punch-through), непроникающего типа (NPT, non-punch-through) и с полевым стопом (Field-Stop, FS);
• по конструкции затвора — планарные и с траншейным (trench) затвором.

Тип структуры определяет соотношение статических и динамических потерь, температурный коэффициент и поведение при параллельном включении. В новых редакциях профильного стандарта учтены также приборы с обратной блокировкой (RB-IGBT) и с обратной проводимостью (RC-IGBT).

Ключевой режим работы

В преобразователях IGBT работает в ключевом режиме: полностью открыт или полностью заперт, без длительного пребывания в активной зоне. Переход между состояниями задаёт напряжение на затворе.

1. Отпирание. Напряжение затвор — эмиттер поднимают выше порога отпирания (V_GE(th), порядка нескольких вольт). Образуется n-канал, электроны открывают биполярную p-n-p часть, прибор входит в насыщение с малым падением коллектор — эмиттер.
2. Открытое состояние. Напряжение насыщения V_CE(sat) составляет единицы вольт и слабо растёт с током благодаря модуляции проводимости — на этом падении выделяются статические потери.
3. Запирание. Напряжение на затворе снимают (доводят до нуля или отрицательного). МОП-часть закрывается почти мгновенно, но накопленные в дрейфовой области неосновные носители рекомбинируют не сразу.
4. Хвостовой ток. Пока носители рекомбинируют, через прибор продолжает течь спадающий «хвостовой» ток. Он затягивает выключение и даёт основную долю потерь выключения.

Хвостовой ток при выключении — фундаментальная особенность IGBT, вытекающая из его биполярной природы, и главный источник потерь на высоких частотах.

Повышение напряжения на затворе снижает V_CE(sat) и статические потери, но одновременно уменьшает допустимое время работы при коротком замыкании и повышает нагрузку на подзатворный оксид. Поэтому рабочее напряжение отпирания выбирают компромиссно.

Потери и их составляющие

Суммарные потери в IGBT складываются из потерь проводимости (статических) и потерь переключения (динамических). Их баланс определяет КПД преобразователя, нагрев кристалла и предельную рабочую частоту.

Поскольку динамические потери пропорциональны частоте, именно они ограничивают предельную частоту коммутации: с её ростом нагрев от переключений быстро увеличивается. Отвод тепла рассчитывают по тепловому сопротивлению кристалл — корпус, а рабочую точку выбирают так, чтобы температура кристалла не выходила за предельную.

Драйвер затвора

Затвор IGBT — ёмкостная нагрузка: чтобы открыть или закрыть прибор, нужно быстро зарядить или разрядить ёмкость затвора, то есть переместить определённый заряд затвора. Этим занимается драйвер — усилитель, который выдаёт импульсный ток заряда и разряда через сопротивление затвора и согласует слаботочную логику управления с силовым ключом.

Отрицательное запирающее напряжение применяют, чтобы надёжно удерживать прибор закрытым: при быстром изменении напряжения на коллекторе (dv/dt) через ёмкость затвор — коллектор наводится ток смещения, способный приоткрыть соседний ключ в стойке. Отрицательное смещение и низкое выходное сопротивление драйвера в закрытом состоянии подавляют такое ложное отпирание.

Сопротивление затвора — инструмент компромисса. Его уменьшение ускоряет коммутацию и снижает потери переключения, но повышает di/dt и dv/dt, а значит — перенапряжения на паразитных индуктивностях и уровень помех. Поэтому его подбирают под конкретный прибор и монтаж, нередко раздельно для включения и выключения.

Драйвер отвечает и за защиту. Типовые функции — контроль насыщения (десатурация) для распознавания короткого замыкания, мягкое выключение при аварии, активное подавление наводки через ёмкость затвор — коллектор и гальваническая развязка. Прибор выдерживает короткое замыкание лишь ограниченное время (порядка единиц — десяти микросекунд), поэтому быстрое отключение критично.

IGBT или MOSFET

IGBT и силовой MOSFET решают близкие задачи, но занимают разные ниши. MOSFET — униполярный прибор без хвостового тока, он выигрывает при относительно низких напряжениях и высоких частотах. IGBT за счёт модуляции проводимости даёт низкое падение при высоком напряжении и большом токе, но проигрывает в скорости из-за хвостового тока.

На практике для каждого сочетания напряжения, тока и частоты существует граница, за которой выгоднее тот или иной прибор. Выбор ведут по этой границе с учётом требуемого КПД и условий охлаждения.

Применение

IGBT применяют там, где нужно коммутировать большие токи при средних и высоких напряжениях с умеренной частотой:

• преобразователи частоты и регулируемый электропривод;
• автономные инверторы, в том числе для солнечных и ветровых установок;
• источники бесперебойного питания (ИБП);
• сварочные инверторы и установки индукционного нагрева;
• тяговый привод электротранспорта;
• импульсные преобразователи большой мощности.

По положению на шкале мощности и частоты IGBT занимает нишу между силовым MOSFET (меньшие напряжения, более высокие частоты) и тиристором (предельные мощности при низких частотах). В мощных применениях приборы выпускают в виде модулей со встроенными обратными диодами, что сокращает число силовых компонентов в стойке инвертора.

Вопросы и ответы