Биполярный транзистор с изолированным затвором

До 1990-х годов в качестве силовых полупроводниковых приборов, помимо тиристоров, использовались биполярные транзисторы. Их эффективность была ограничена несколькими недостатками:

• необходимость большого тока базы для включения;
• наличие токового «хвоста» при запирании, поскольку ток коллектора не спадает мгновенно после снятия тока управления — появляется сопротивление в цепи коллектора, и транзистор нагревается;
• зависимость параметров от температуры;
• напряжение насыщения цепи коллектор-эмиттер ограничивает минимальное рабочее напряжение.

С появлением полевых транзисторов, выполненных по технологии МОП (англ. MOSFET), ситуация изменилась. В отличие от биполярных, полевые транзисторы:

• управляются не током, а напряжением;
• их параметры не так сильно зависят от температуры;
• их рабочее напряжение теоретически не имеет нижнего предела благодаря использованию многоячеистых СБИС;
• имеют низкое сопротивление канала (менее миллиома);
• могут работать в широком диапазоне токов (от миллиампер до сотен ампер);
• имеют высокую частоту переключения (сотни килогерц и больше);
• высокие рабочие напряжения при больших линейных и нагрузочных изменениях, тяжёлых рабочих циклах и низких выходных мощностях.

Схематичное изображение внутренней структуры отечественного БТИЗ

Полевые МОП-транзисторы легко управляются, что свойственно транзисторам с изолированным затвором, и имеют встроенный диод утечки для ограничения случайных бросков тока. Типичные применения этих транзисторов — импульсные преобразователи напряжения с высокими рабочими частотами, аудиоусилители (так называемого класса D).

Схематичное изображение внутренней структуры западных IGBT

Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР в НИИ «Пульсар» (разработчик — В. В. Бачурин) в 1973 году, а их ключевые свойства исследованы в Смоленском филиале МЭИ (научный руководитель — В. П. Дьяконов)[4]. В рамках этих работ в 1977 году был предложен составной транзистор, в котором мощный биполярный транзистор управляется посредством полевого транзистора с изолированным затвором. Было показано, что выходные токи и напряжения составных структур определяются биполярным транзистором, а входные — полевым. При этом биполярный транзистор в ключе на основе составного транзистора не насыщается, что резко уменьшает задержку при выключении[5] и определяет достоинства таких приборов в роли силовых ключей[6]. На полупроводниковый прибор, названный «побистором», получено авторское свидетельство СССР № 757051. Он выполнен в виде единой структуры, содержащей мощный биполярный транзистор, на поверхности которого создан полевой транзистор с V-образным изолированным затвором[7]

Первый промышленный образец БТИЗ был запатентован International Rectifier в 1983 году. Позднее, в 1985 году, был разработан БТИЗ с полностью плоской структурой (без V-канала) и более высокими рабочими напряжениями. Это произошло почти одновременно в лабораториях фирм General Electric (Скенектади, штат Нью-Йорк) и RCA (Принстон, штат Нью-Джерси). Первоначально устройство называли COMFET, GEMFET или IGFET. В 1990-е годы приняли название IGBT. Первые БТИЗ не получили распространения из-за врождённых пороков — медленного переключения и низкой надёжности. Второе (1990-е годы) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавились от этих пороков.

БТИЗ сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

• высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от полевых транзисторов с изолированным затвором;
• низкое значение остаточного напряжения во включённом состоянии — от биполярных транзисторов;
• малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
• характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
• управление как у MOSFET — напряжением.

Диапазон использования — от десятков до 1200 ампер по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению. В диапазоне токов до десятков ампер и напряжений до 500 В целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением.

Сборка на IGB-транзисторах для коммутации напряжения до 3300 В и тока до 1200 А

Основное применение БТИЗ — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Широкое применение БТИЗ нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение IGBT-модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

БТИЗ применяют при работе с высокими напряжениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и высокой выходной мощностью (более 5 кВт). IGB-транзисторы используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее 20 кГц), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота — до 50 кГц).

IGBT и MOSFET занимают диапазон средних мощностей и частот, частично «перекрывая» друг друга. В общем случае, для высокочастотных низковольтных каскадов наиболее подходят МОП, а для высоковольтных мощных — БТИЗ.

В некоторых случаях БТИЗ и МОП-транзисторы полностью взаимозаменяемы, цоколёвка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12 — 15 В для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения, как запираемый тиристор. Но «управляемый напряжением» не означает, что при переключении БТИЗ в цепи затвора отсутствует ток. Затвор БТИЗ (как и МОП-транзистора) для управляющей схемы является конденсатором с ёмкостью, достигающей единиц нанофарад (для мощных устройств), что определяет импульсный характер тока затвора. Драйвер затвора должен быть способным быстро заряжать и разряжать эту ёмкость, чтобы гарантировать быстрое переключение транзистора.

• Ключ (электротехника)
• Биполярный транзистор
• Полевой транзистор
• Тиристор
• Электротранспорт
• Тяговый преобразователь
• Частотно-регулируемый привод

• Принципы работы мощных MOSFET и IGBT
• Установка БТИЗ-модуля на трамвай Tatra KT4 № 107 научными сотрудниками Таллинского технического университета (эст.)
• Технические данные БТИЗ-модуля для трамвая Tatra KT4 (эст.)
• Рогачёв, К. Д. Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) : Устройство и особенности работы // KASUS.RU. — Электронный портал.
• Е. Дуплякин — IGBT или MOSFET? Оптимальный выбор
• Биполярные транзисторы с изолированным затвором для начинающих. IGBT for beginners