Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), который в переводной литературе называется IGBIT. Он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии, что характерно для биполярного транзистора. Высокое входное сопротивление, малые затраты энергии на управление ключом являются преимуществом полевых транзисторов. Структура транзистора БТИЗ (рисунок 13.8) подобна структуре полевого силового транзистора, но дополнена еще одним переходом.

Рисунок 13.8 - Структура биполярного транзистора с изолированным затвором

Рисунок 13.9 - Эквивалентная схема (а), условное графическое обозначение (b) биполярного транзистора с изолированным затвором

Работу ключа можно объяснить с помощью эквивалентной схемы (рисунок 13.9,b). Транзисторы VT1 и VT2 двух транзисторную модель тиристора, которая имеет глубокую положительную внутреннюю обратную связь, т.к. ток базы каждого транзистора определяет ток коллектора другого.

. (13.13)

, (13.14)

, (13.15)

, (13.16)

где - эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором, которая в десятки раз превышает крутизну МОП.

Другим достоинством БТИЗ является значительное снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Это объясняется тем, что сопротивление канала шунтируется двумя насыщенными транзисторами, включенными последовательно. Процесс включения БТИЗ можно разделить на два этапа: открытие полевого транзистора и открытие транзисторов VT1, VT2. Задержка в открытии полевого транзистора, в основном, определяется зарядом входной и проходной емкостей, а включения тиристорной структуры VT1,VT2 происходит очень быстро под действием положительной обратной связи.

При запирании транзистора первоначально закрывается полевой транзистор, закрытие канала которого приводит к разрыву цепи ПОС и к закрытию транзистора VT1, а затем - VT2. Быстродействие БТИЗ выше, чем биполярных транзисторов, но меньше, чем полевых.

В настоящее время транзисторы БТИЗ выпускаются в виде модулей, которые содержат несколько элементов (рисунок 13.10).

Рисунок 13.10 - Схемы модулей на БТИЗ транзисторах (а - БТИЗ транзистор с инверсным диодом; b – однофазный полумост; с,d – прерыватели)

Кроме показанных модулей выпускаются анодные и катодные группы трехфазных мостов и полный трехфазный мост.

Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления - драйвер конструктивно компактна. Драйверы выпускают в интегральном исполнении в виде микросхем специального назначения. Существуют драйверы анодных и катодных ключей трехфазного моста, а также драйверы мостовых и полумостовых модулей.

Наиболее целесообразно располагать цепи драйвера в непосредственной близости от силового ключа. Часто драйверы выполняются в одном корпусе с модулем, образуя силовой гибридный интегральный модуль (СГИМ). В гибридный модуль вводят элементы защиты по току, напряжению и температуре кристалла, а также системы диагностирования, обеспечивающие защиту от исчезновения управляющего сигнала, одновременной проводимости в противоположных плечах силовой схемы, исчезновения напряжения источника питания и других аварийных явлений. Схема такого модуля показана на рисунке 13.11.

Рисунок 13.11 - Схема интеллектуального модуля однофазного полумоста

В ряде случаев предусматривается система управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и однокристальная ЭВМ. Такие модули называют интеллектуальными, в зарубежной практике они получили название Intelligent Power Modules (IPM).