Zaloguj się
Wszystkie
26 listopada 2024
535
Wprowadzenie do tranzystorów IGBT
Wprowadzenie. Zwykły bipolarny tranzystor mocy ma bardzo niskie napięcie nasycenia między emiterem a kolektorem. Wadą tego rozwiązania jest to, że aby wprowadzić półprzewodnik w stan nasycenia, do jego bazy należy doprowadzić dość wysoki prąd (Ib=Ic/β, przy czym dla tranzystorów mocy wartość wzmocnienia prądowego β zwykle nie przekracza 40 – przyp. tłum.). MOSFET, jako element sterowany napięciem, potrzebuje znacznie mniejszego prądu. Oczywiście atrakcyjną opcją byłoby połączenie zalet bipolarnego tranzystora mocy z zaletami tranzystora MOSFET. Takim rozwiązaniem jest IGBT, tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, czyli tranzystor bipolarny sterowany nie prądem z bazy, ale napięciem z izolowanej bramki.
Symbol IGBT. Nie dziwi zatem fakt, iż budowa tranzystora IGBT jest również odzwierciedlona w jego symbolu, patrz rysunek poniżej. Istnieją jednak cztery różne typy tranzystorów IGBT, reprezentowane przez cztery różne symbole. W zależności od domieszkowania materiału bazowego, można znaleźć n- i p-kanałowe tranzystory IGBT. Można je dalej sklasyfikować jako normalnie przewodzące i normalnie izolujące. Właściwość tę można wybrać podczas procesu produkcyjnego.
Budowa tranzystora IGBT. Rysunek przedstawia przekrój pionowy przez n-kanałowy tranzystor IGBT, najczęściej spotykany typ. IGBT składa się z czterowarstwowej kanapki półprzewodnikowej kontrolowanej przez bramkę. Ma jednorodne i wysoce domieszkowane podłoże p+ ze specjalnie uformowanym złączem p+/n+ na tylnej stronie. Na ten materiał nośny nakładana jest słabo domieszkowana warstwa epitaksjalna n. W ten sposób przez dyfuzję wprowadzane są dwie wysoce domieszkowane wyspy p+. Izolująca warstwa tlenku między bramką a warstwami p/n jest odpowiedzialna za właściwości IGBT.
Schemat zastępczy tranzystora IGBT. Na podstawie już przedstawionych do tej pory informacji można stworzyć zastępczy schemat tranzystora IGBT, patrz rysunek poniżej. Jednak oprócz tranzystora MOSFET z kanałem n i tranzystora PNP T1, widoczny jest również pasożytniczy tranzystor NPN T2, który istnieje ze względu na właściwości fizyczne niezbędnej warstwy półprzewodnikowej. Jest to problematyczne, ponieważ tranzystor ten, wraz z T1, tworzy rodzaj struktury tyrystorowej. Teraz dwa połączone w ten sposób tranzystory mogą zacząć wykazywać dobrze znane zjawisko „zatrzasku”, które jest niezbędne w przypadku tyrystora, ale które nam raczej przeszkadza niż pomaga. Dwa tranzystory utrzymują wówczas wzajemne przewodzenie, a komponentu nie można już wyłączyć. Na szczęście, stosując wyrafinowaną konstrukcję warstw półprzewodnikowych, można zminimalizować to zjawisko. Ponadto można wysterować bramkę w taki sposób, by dalej zminimalizować szansę na zatrzaśnięcie.
Działanie tranzystora IGBT. Od strony wejścia tranzystor IGBT zachowuje się jak tranzystor MOSFET, a od strony wyjścia jak bipolarny tranzystor mocy. Tranzystor MOSFET i tranzystor T1 są zawarte w obwodzie pseudo-Darlingtona. Do kolektora należy podłączyć napięcie dodatnie względem emitera. Sterowanie można podzielić na dwa obszary: zaporowy i przewodzenia.
Tranzystor IGBT pozostaje w stanie zaporowym, dopóki napięcie na bramce względem emitera nie osiągnie progu Uge tranzystora MOSFET. Jeśli napięcie na bramce wzrośnie powyżej Uge, tranzystor IGBT przejdzie w stan przewodzenia. Podobnie jak w normalnych tranzystorach polowych, w podłożu p tworzy się przewodzący kanał n. Umożliwia to transport elektronów z emitera do warstwy epitaksjalnej. Ponieważ tylne złącze p/n jest połączone w kierunku do przodu, dziury są wstrzykiwane z podłoża p+ do warstwy epitaksjalnej, w wyniku czego powstaje para elektron/dziura, która powoduje rzeczywiste przewodzenie.
Jak już wspomniano, czterowarstwowa konstrukcja półprzewodnikowa niesie ze sobą ryzyko pasożytniczego tyrystora tworzonego przez tranzystor PNP i tranzystor NPN. Podobnie jak układy CMOS, tranzystory IGBT mogą powodować tzw. efekt zatrzasku. Pasożytniczy tyrystor załącza się i prąd zaczyna płynąć od kolektora do emitera, którego nie można już wyłączyć za pomocą bramki. Jedynym sposobem na uniknięcie tego „zatrzasku” jest zmniejszenie napięcia na komponencie do zera.
W stanie przewodzenia prąd płynie od kolektora do emitera. Jednak tranzystor wyjściowy tego pseudo-Darlingtonowego obwodu nigdy nie jest mocno nasycony, więc spadek napięcia między kolektorem a emiterem jest nieco większy niż w zwykłym tranzystorze bipolarnym. Ponieważ jednak emiter tranzystora IGBT zajmuje całą powierzchnię półprzewodnika, jego charakterystyka przełączania jest lepsza niż w przypadku tranzystora mocy o tej samej powierzchni.
Schemat zastępczy pokazuje też, iż na tranzystorze MOSFET nie może występować wysokie napięcie, dlatego jest to relatywnie mały tranzystor niskonapięciowy.
Brak zintegrowanej diody. W przeciwieństwie do (większości – przyp. tłum.) tranzystorów MOSFET, tranzystory IGBT zwykle nie mają wbudowanej diody zwrotnej. Jeśli więc przełączasz obciążenia indukcyjne, absolutnie konieczne jest zastosowanie takiej diody na zewnątrz. W tym celu konieczne jest zastosowanie diody szybkiej, która ma bardzo mały ładunek, dzięki czemu czas odzyskiwania jest bardzo mały, od 200 ns do 100 ns.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
