Предисловие (стр. 5 )

Следует отметить, что при такой технологии изготовления мощного полевого транзистора в его структуре появляется паразитный биполярный транзистор, который может включиться, когда скорость изменения напряжения на стоке окажется слишком большой.

В зависимости от области применения (низкие напряжения и большие токи или высокие напряжения и жесткие требования к динамическим характеристикам) разработаны различные технологии изготовления MOSFET-транзисторов. Технология MDmesh (Multiple Drain mesh) и STripFET фирмы STMicroelectronics основаны на многочисленных вертикальных p-структурах стока, что значительно уменьшает сопротивление сток/исток в открытом состоянии (RDS ON). Кроме очень низкого RDS ON, новая вертикальная структура кристалла обеспечивает превосходные динамические характеристики (dV/dt). Например, низковольтный (20 В) транзистор STV160NF02L рассчитан на токи до 160 А и имеет сопротивление сток/исток в открытом состоянии 0,0016 Ом. MOSFET-транзисторы другой Z-серии, например STW8NC90Z, рассчитаны на напряжения до 900 В, полностью защищены от электростатического пробоя и выбросов напряжения в затворной цепи вследствие переходных процессов., но обеспечивают токи до 7,6 А и имеют сопротивление сток/исток в открытом состоянии 1,38 Ом.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) являются новым типом активного прибора, который появился сравнительно недавно. Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного. В литературе этот прибор называют IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

По быстродействию IGBT-транзисторы (рис.1.22) значительно превосходят биполярные. Их чаще всего используют в качестве мощных ключей, у которых время включения 0,2...0,4 мкс, а время выключения

0,2...1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи 1200 А.

Транзисторы этого типа вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразования частоты и позволяют создать импульсные источники вторичного электропитания с качественно лучшими характеристиками.

Активные приборы нового типа используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5…3,5В. Как видно из структуры IGBT-транзистора (рис. 1.22), это достаточно сложный прибор, в котором транзистор типа р–п–р управляется МОП-транзистором с каналом типа п.

Коллектор IGBT-транзистора (рис. 1.23,а) является эмиттером транзистора VT4. При подаче положительного напряжения на затвор у транзистора VT1 появляется электропроводный канал. Через него эмиттер транзистора IGBT (коллектор транзистора VT4) оказывается соединенным с базой транзистора VT4. Это приводит к тому, что он полностью отпирается и падение напряжения между коллектором транзистора IGBT и его эмиттером становится равным падению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4, просуммированному с падением напряжения Uси на транзисторе VT1.

В связи с тем, что падение напряжения на р–n-переходе уменьшается с увеличением температуры, падение напряжения на отпертом IGBT-транзисторе в определенном диапазоне токов имеет отрицательный температурный коэффициент, который становится положительным при большом токе. Поэтому падение напряжения на IGBT-транзисторе не опускается ниже порогового напряжения диода (эмиттерного перехода VТ4).

При увеличении напряжения, приложенного к транзистору IGBT, увеличивается ток канала, определяющий ток базы транзистора VT4, при этом падение напряжения на IGBT-транзисторе уменьшается.

При запирании транзистора VT1 ток транзистора VT4 становится малым, что позволяет считать его запертым. Дополнительные слои введены для исключения режимов работы, характерных для тиристоров, когда происходит лавинный пробой. Буферный слой п+ и широкая базовая область n– обеспечивают уменьшение коэффициента усиления по току p–n–p-транзистора. Общая картина включения и выключения достаточно сложная, так как наблюдаются изменения подвижности носителей заряда, коэффициентов передачи тока у имеющихся в структуре p–n–p- и n–p–n-транзисторов, изменения сопротивлений областей и пр. Хотя в принципе IGBT–транзисторы могут быть использованы для работы в линейном режиме, пока в основном их применяют в ключевом режиме.

При этом изменения напряжений у коммутируемого ключа характеризуются кривыми, показанными на рис. 1.24.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором (ПТИЗ), имеющих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, который не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 1.25,а. На этой схеме VT – полевой транзистор с изолированным затвором, Т1 – паразитный биполярный транзистор, R1 –последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R2 – сопротивление, шунтирующее переход база–эмиттер биполярного транзистора Т1. Благодаря сопротивлению R2 биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характеристики ПТИЗ, приведенные на рис. 1.25,б, характеризуются крутизной S и сопротивлением канала R1.

 

Рис. 1.25. Схема замещения ПТИЗ с вертикальным каналом (а) и его вольт-амперные характеристики (б), схема замещения транзистора типа IGBT (в) и его вольт-амперные характеристики (г)

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним р–n-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 1.25,в) появляется еще один p–n–p-транзистор T2. Образовавшаяся структура из двух транзисторов T1 и T2 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора T2 влияет на ток базы транзистора T1, а ток коллектора транзистора T1 определяет ток базы транзистора Т2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов T1 и T2 имеют значения α1 и α2, соответственно, находим Iк2 = Iэ2α2, Iк1 = Iэ1α1 и Iэ = Iк1 + Iк2 + Iс.

Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора

Ic = Iэ(1 – α1 – α2).

Поскольку ток стока Iс ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряжение UЗ, на затворе IC = SUЗ, определим ток IGBT транзистора

,

где Sэ = S/ [1 – (α1 + α2)] – эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором. Очевидно, что при α1 + α2 ≈ 1 эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения α1 и α2 можно изменением сопротивлений R1 и R2 при изготовлении транзистора. На рис. 1.25,г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP402 получено значение крутизны 15 А/В.

Другим достоинством IGBT-транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R2 шунтируется двумя насыщенными транзисторами T1 и Т2, включенными последовательно.

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 1.26. Это обозначение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изображается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5...6 В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействие полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5... 1,0мкс.

Для уменьшения количества дополнительных внешних компонентов в состав IGBT-транзисторов вводят диоды или выпускают модули, состоящие из нескольких компонентов (рис. 1.26, а – г). Их условные обозначения включают: букву М– модуль беспотенциальный (основание изолировано); 2 – количество ключей; буквы ТКИ – биполярный с изолированным затвором; ДТКИ – диод/биполярный транзистор с изолированным затвором; ТКИД – биполярный транзистор с изолированным затвором/диод; цифры: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 – максимальный ток; цифры: 1, 2, 5, 6, 10, 12 – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ (*100В). Например модуль МТКИД-75-17 имеет UКЭ =1700 В, I=2*75А, UКЭотк =3,5 В, PKmax =625 Вт.