Войти
Условное обозначение схемы IGBT Тип твердотельного переключателя Изолированный затвор Биполярный транзистор (IGBT ) представляет собой трехконтактный силовой полупроводниковый прибор, который в основном используется в качестве электронного переключателя, который, как только был разработан, сочетал в себе высокую эффективность и быстрое переключение. Он состоит из четырех чередующихся слоев (P-N-P-N), которые контролируются структурой металл-оксид-полупроводник (MOS) затвор без регенеративного воздействия. Хотя структура IGBT топологически такая же, как тиристор с МОП-затвором (МОП-тиристор с затвором ), действие тиристора полностью подавляется, и только транзистор действие разрешено во всем рабочем диапазоне устройства. Он используется в импульсных источниках питания в приложениях большой мощности: частотно-регулируемых приводах (VFD), электромобилях, поездах, холодильниках с регулируемой скоростью, балластах для ламп., дугосварочные аппараты и кондиционеры.
Поскольку он предназначен для быстрого включения и выключения, IGBT может синтезировать сложные формы сигналов с помощью широтно-импульсной модуляции и фильтров нижних частот, поэтому он также используются в усилителях переключения в звуковых системах и промышленных системах управления. В коммутационных приложениях современные устройства имеют частоту повторения импульсов в ультразвуковом диапазоне - частоты, которые, по крайней мере, в десять раз превышают максимальную звуковую частоту, обрабатываемую устройством при использовании в качестве аналогового усилителя звука. По состоянию на 2010 год IGBT является вторым наиболее широко используемым силовым транзистором после мощного MOSFET.
| сравнительной таблицы IGBT | |||
|---|---|---|---|
| Характеристики устройства | Power биполярного | Power MOSFET | IGBT |
| Номинальное напряжение | Высокое <1kV | Высокое <1kV | Очень высокое>1 кВ |
| Номинальный ток | Высокий <500A | Высокий>500 А | Высокий>500 А |
| Входной привод | Коэффициент тока h FE. 20-200 | Напряжение В GS. 3-10 В | Напряжение В GE. 4-8 В |
| Входное сопротивление | Низкое | Высокое | Высокое |
| Выходное сопротивление | Низкое | Средняя | Низкая |
| Скорость переключения | Медленная (мкс) | Быстрая (нс) | Средняя |
| Стоимость | Низкое | Среднее | Высокое |
Поперечное сечение типичного IGBT, показывающее внутреннее соединение MOSFET и биполярного устройства Ячейка IGBT сконструирована аналогично n-канальной вертикальной конструкции силовой полевой МОП-транзистор, за исключением того, что сток n + заменен слоем коллектора p +, образуя таким образом вертикальный биполярный транзистор PNP . Эта дополнительная область p + создает каскадное соединение транзистора с биполярным переходом PNP с поверхностным n-каналом MOSFET.
Статическая характеристика IGBT поле металл-оксид-полупроводник- транзистор с эффектом (MOSFET) был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Базовый режим работы IGBT, где pnp-транзистор, управляемый полевым МОП-транзистором, был впервые предложен К. Ямагами и Ю. Акагири из Mitsubishi Electric в японском патенте S47-21739, который был подан в 1968 году. 38>
После коммерциализации силовых полевых МОП-транзисторов в 1970-х гг. B. Джаянт Балига представил патентное раскрытие в General Electric (GE) в 1977 г., описывая силовое полупроводниковое устройство с режимом работы IGBT, включая MOS стробирование тиристоров, четырехслойной структуры VMOS (МОП-транзистор с V-образной канавкой) и использования структур с МОП-затвором для управления четырехслойным полупроводниковым устройством. Он начал изготавливать устройство IGBT с помощью Маргарет Лазери из GE в 1978 году и успешно завершил проект в 1979 году. Результаты экспериментов были опубликованы в 1979 году. Структура устройства была обозначена как "V". устройство с канавкой MOSFET с областью стока, замененной областью анода p-типа "в этой статье и впоследствии как" выпрямитель с изолированным затвором "(IGR), транзистор с изолированным затвором (IGT), полевой эффект с модуляцией проводимости транзистор (COMFET) и «биполярный МОП-транзистор».
BW Scharf и JD Plummer сообщили об устройстве симистора, управляемом МОП, с их боковым четырехслойным устройством (SCR) в 1978 году. Пламмер подал заявку на патент для этого режима работы в четырехслойном устройстве (SCR) в 1978 году. USP № 4199774 был выпущен в 1980 году, а B1 Re33209 был переиздан в 1996 году. Режим работы IGBT в четырехслойном устройстве (SCR) переключился на работа тиристора, если ток коллектора превышает ток фиксации, который известен как "ho ток задержки »в хорошо известной теории тиристоров.
Развитие IGBT характеризовалось попытками полностью подавить работу тиристора или фиксацию в четырехслойном устройстве, потому что фиксация вызывала фатальный отказ устройства. Таким образом, технология IGBT была создана, когда было достигнуто полное подавление фиксации паразитного тиристора, как описано ниже.
Ханс В. Беке и Карл Ф. Уитли разработали аналогичное устройство, на которое они подали заявку на патент в 1980 году и которое они назвали «силовым полевым МОП-транзистором с анодной областью». В патенте утверждалось, что «тиристор не работает ни при каких условиях работы устройства». Устройство имело в целом аналогичную структуру с более ранним устройством IGBT Балиги, о котором сообщалось в 1979 году, а также аналогичное название.
A. Nakagawa et. al. изобрел концепцию конструкции устройства IGBT без фиксации в 1984 году. Изобретение характеризуется конструкцией устройства, устанавливающей ток насыщения устройства ниже тока фиксации, который запускает паразитный тиристор. В этом изобретении впервые реализовано полное подавление паразитного действия тиристоров, поскольку максимальный ток коллектора ограничивался током насыщения и никогда не превышал ток фиксации. После изобретения концепции конструкции IGBT без фиксации IGBT быстро эволюционировали, и конструкция IGBT без фиксации стала стандартом де-факто, а патент на IGBT без фиксации стал основным патентом IGBT. реальных устройств.
На ранней стадии разработки IGBT все исследователи пытались увеличить сам ток фиксации, чтобы подавить фиксацию паразитного тиристора. Однако все эти попытки потерпели неудачу, потому что IGBT мог проводить чрезвычайно большой ток. Успешное подавление фиксации стало возможным за счет ограничения максимального тока коллектора, который мог бы проводить IGBT, ниже тока фиксации путем управления / уменьшения тока насыщения собственного MOSFET. Это была концепция IGBT без фиксации. «Устройство Беке» стало возможным благодаря IGBT без фиксации.
IGBT характеризуется своей способностью одновременно обрабатывать высокое напряжение и большой ток. Произведение напряжения и плотности тока, с которым может работать IGBT, достигло более 5 × 10 Вт / см, что намного превышало значение, 2 × 10 Вт / см, существующих силовых устройств, таких как биполярные транзисторы и силовые полевые МОП-транзисторы. Это следствие большой безопасной рабочей области IGBT. IGBT - это наиболее прочное и мощное силовое устройство из когда-либо разработанных, что дает пользователям простое использование устройства и смещенных биполярных транзисторов и даже GTO. Эта отличная особенность IGBT внезапно появилась, когда IGBT без фиксации был создан в 1984 году, решив проблему так называемого «защелкивания», который является основной причиной разрушения устройства или отказа устройства. До этого разработанные устройства были очень слабыми и легко разрушались из-за «защелкивания».
Практические устройства, способные работать в расширенном диапазоне тока, впервые были описаны B. Джаянт Балига и др. в 1982 году. О первой экспериментальной демонстрации практического дискретного вертикального IGBT-устройства сообщил Балига на IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) в том же году. General Electric коммерциализировала IGBT-устройство Baliga тот же год. Балига был включен в Национальный зал славы изобретателей за изобретение IGBT.
Аналогичная статья была также представлена J. P. Russel et al. в IEEE Electron Device Letter в 1982 г. Применение устройства изначально рассматривалось сообществом силовой электроники как строго ограниченное из-за его низкой скорости переключения и фиксации паразитной тиристорной структуры, присущей устройству. Однако это было продемонстрировано Балигой, а также А. М. Гудманом и соавт. в 1983 г. скорость переключения могла регулироваться в широком диапазоне с помощью электронного облучения. За этим последовала демонстрация работы устройства при повышенных температурах компанией Baliga в 1985 году. Успешные попытки подавить фиксацию паразитного тиристора и масштабирование номинального напряжения устройств в GE позволили внедрить коммерческие устройства в 1983 году., который можно использовать для самых разных приложений. Электрические характеристики устройства GE, IGT D94FQ / FR4, были подробно описаны Марвином В. Смитом в ходе заседания PCI в апреле 1984 года. Марвин В. Смит показал на рис. 12 процедуры отключения при токе затвора при более чем 10 ампер. сопротивление 5 кОм и более 5 ампер для сопротивления затвора 1 кОм было ограничено переключением безопасной рабочей зоны, хотя IGT D94FQ / FR4 мог проводить ток коллектора 40 ампер. Марвин В. Смит также заявил, что зона безопасной работы при переключении ограничивается фиксацией паразитного тиристора.
Полное подавление паразитного действия тиристора и связанная с этим работа IGBT без фиксации во всем рабочем диапазоне устройства была достигнута A. Nakagawa et al. в 1984 году. Концепция дизайна без фиксации была подана на патент США. Чтобы проверить отсутствие фиксации, прототипы IGBT на 1200 В были напрямую подключены без каких-либо нагрузок к источнику постоянного напряжения 600 В и были включены на 25 микросекунд. Все 600 В были сброшены на устройство, и протек большой ток короткого замыкания. Аппараты успешно выдержали это тяжелое состояние. Это была первая демонстрация так называемой «способности выдерживать короткие замыкания» в IGBT. Впервые была обеспечена работа IGBT без фиксации во всем диапазоне работы устройства. В этом смысле IGBT без фиксации, предложенный Хансом В. Беке и Карлом Ф. Уитли, был реализован A. Nakagawa et al. в 1984 г. Продукты IGBT без фиксации были впервые коммерциализированы Toshiba в 1985 г. Это было настоящим рождением нынешних IGBT.
Как только в IGBT была достигнута возможность без фиксации, было обнаружено, что IGBT обладают очень прочной и очень большой безопасной рабочей зоной. Было продемонстрировано, что произведение рабочей плотности тока и напряжения коллектора превышает теоретический предел для биполярных транзисторов, 2 × 10 Вт / см, и достигает 5 × 10 Вт / см.
Изоляционный материал обычно представляет собой изготовлены из твердых полимеров, которые плохо разлагаются. Существуют разработки, в которых используется ионный гель для улучшения производства и снижения необходимого напряжения.
БТИЗ первого поколения 1980-х и начала 1990-х годов были склонны к отказу из-за таких эффектов, как фиксация (при которой устройство не выключится, пока идет ток) и вторичный пробой (при котором локализованная горячая точка в устройстве переходит в тепловой разгон и выгорает прибор большими токами). Устройства второго поколения были значительно улучшены. Нынешние БТИЗ третьего поколения даже лучше: по скорости они могут соперничать с силовыми полевыми МОП-транзисторами, а также обладают превосходной прочностью и устойчивостью к перегрузкам. Чрезвычайно высокие импульсные характеристики устройств второго и третьего поколения также делают их полезными для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как частицы и физика плазмы, где они начинают заменять более старые устройства, такие как тиратроны и срабатывают искровые разрядники. Высокие импульсные характеристики и низкие цены на избыточном рынке также делают их привлекательными для любителей высокого напряжения для управления большим количеством энергии для управления устройствами, такими как твердотельные катушки Тесла и койлганы.
Устройство, предложенное Дж. Д. Пламмером в 1978 г. (патент США Re.33209), имеет такую же структуру, что и тиристор с МОП-затвором. Пламмер обнаружил и предположил, что устройство можно использовать как транзистор, хотя устройство работает как тиристор при более высоком уровне плотности тока. Дж. Д. Пламмер сообщил об этом факте в своей технической статье: "MOS-Controlled Triac Device" B.W. Шарф и Дж.Д. Пламмер, Международная конференция по твердотельным схемам IEEE 1978 г., СЕССИЯ XVI FAM 16.6. Устройство, предложенное Дж. Д. Пламмером, упоминается здесь как «устройство Пламмера». С другой стороны, Ханс В. Беке предложил в 1980 году другое устройство, в котором действие тиристора полностью устранено при любых условиях работы устройства, хотя базовая конструкция устройства такая же, как предложенная Дж. Д. Пламмером. Устройство, разработанное Гансом В. Бекке, упоминается здесь как «устройство Беке» и описано в патенте США 4364073. Разница между «устройством Пламмера» и «устройством Бекке» заключается в том, что «устройство Пламмера» имеет режим тиристорного действия в своем рабочий диапазон и «устройство Беке» никогда не имеет режима тиристорного действия во всем рабочем диапазоне. Это критический момент, потому что действие тиристора совпадает с так называемым «фиксацией». «Заедание» - основная причина фатального отказа устройства. Таким образом, теоретически «устройство Пламмера» никогда не реализует прочное или мощное силовое устройство с большой безопасной рабочей зоной. Большая безопасная рабочая зона может быть достигнута только после того, как «защелкивание» будет полностью подавлено и устранено во всем рабочем диапазоне устройства. Однако патент Беке (патент США 4364073) не раскрывает никаких мер по реализации реальных устройств.
Несмотря на патент Becke, описывающий структуру, аналогичную более раннему устройству IGBT Baliga, несколько производителей IGBT заплатили лицензионный сбор за патент Becke. Toshiba коммерциализировала «IGBT без фиксации» в 1985 году. Стэнфорд В 1991 году университет настаивал на том, что устройство Toshiba нарушает патент США RE33209 «Устройство Пламмера». Toshiba ответила, что «IGBT без фиксации» никогда не срабатывают во всем рабочем диапазоне устройства и, таким образом, не нарушают патент США RE33209 «Патента Пламмера». Стэнфордский университет так и не ответил после ноября 1992 года. Toshiba приобрела лицензию на «патент Бекке», но так и не заплатила лицензионный сбор за «устройство Пламмера». Другие производители IGBT также заплатили лицензионный сбор за патент Беке.
По состоянию на 2010 год IGBT является вторым наиболее широко используемым силовым транзистором после силового MOSFET. На IGBT приходится 27% рынка силовых транзисторов, уступая только силовым MOSFET (53%) и опережая ВЧ-усилитель (11%) и транзистор с биполярным переходом ( 9%). БТИЗ широко используется в бытовой электронике, промышленных технологиях, энергетике, аэрокосмической электронных устройствах и транспорте.
БТИЗ объединяет в себе простые характеристики управления затвором силовых полевых МОП-транзисторов с возможностью высокого тока и низкого напряжения насыщения биполярных транзисторов. БТИЗ объединяет в себе изолированный затвор полевой транзистор для управляющего входа и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве. БТИЗ используется в приложениях средней и большой мощности, таких как импульсные источники питания, управление тяговым двигателем и индукционный нагрев. Большие модули IGBT обычно состоят из множества параллельно включенных устройств и могут иметь очень высокие возможности обработки тока, порядка сотен ампер с блокирующими напряжениями 6500 В. Эти IGBT могут управлять нагрузками в сотни киловатт.
IGBT имеет значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с обычным MOSFET в устройствах с более высоким номинальным напряжением блокировки, хотя MOSFETs демонстрируют много более низкое прямое напряжение при более низких плотностях тока из-за отсутствия диода Vf в выходном BJT IGBT. По мере увеличения номинального напряжения блокировки устройств MOSFET и IGBT глубина области n-дрейфа должна увеличиваться, а легирование должно уменьшаться, что приводит к примерно квадратному уменьшению зависимости прямой проводимости от способности устройства к напряжению блокировки. Путем инжекции неосновных носителей (дырок) из p + -области коллектора в n-дрейфовую область во время прямой проводимости сопротивление n-дрейфовой области значительно уменьшается. Однако это результирующее снижение прямого напряжения в открытом состоянии влечет за собой несколько недостатков:
Как правило, высокое напряжение, высокий ток и низкие частоты переключения в пользу IGBT, в то время как низкое напряжение, средний ток и высокие частоты переключения являются областью MOSFET.
Можно разрабатывать и моделировать схемы с IGBT с помощью различных схем, имитирующих компьютерные программы, такие как SPICE, Sabre и другие программы. Чтобы смоделировать схему IGBT, устройство (и другие устройства в схеме) должны иметь модель, которая предсказывает или моделирует реакцию устройства на различные напряжения и токи на их электрических клеммах. Для более точного моделирования влияние температуры на различные части IGBT может быть включено в моделирование. Доступны два распространенных метода моделирования: физика устройства, модель, эквивалентные схемы или макромодели. SPICE имитирует IGBT с использованием макромодели, которая объединяет ансамбль таких компонентов, как FET и BJT в конфигурации Дарлингтона. Альтернативной моделью, основанной на физике, является модель Хефнера, представленная Алленом Хефнером из Национального института стандартов и технологий. Модель Хефнера довольно сложна, и она показала очень хорошие результаты. Модель Хефнера описана в статье 1988 года и позже была расширена до термоэлектрической модели, которая включает реакцию IGBT на внутренний нагрев. Эта модель была добавлена в версию программного обеспечения для моделирования Sabre.
Механизмы отказа IGBT включают перенапряжение (O) и износ (wo) по отдельности.
Отказы из-за износа в основном включают нестабильность температуры смещения (BTI), инжекцию горячего носителя (HCI), зависящий от времени пробой диэлектрика (TDDB), электромиграцию (ECM), усталость припоя, реконструкцию материала, коррозию. Отказ из-за перенапряжения в основном включает электростатический разряд (ESD), защелкивание, лавину, вторичный пробой, отрыв и выгорание проводов.
 Модуль IGBT (IGBT и свободно вращающиеся диоды ) с номинальным током 1200 А и максимальным напряжением 3300 В |  Открытый модуль IGBT с четырьмя IGBT (половина H-моста ), рассчитанный на 400 А 600 В |  Малый модуль IGBT, номинальный ток до 30 А, до 900 В |  Модуль IGBT Mitsubishi Electric CM600DU-24NFH, рассчитанный на 600 А, 1200 В, со снятой крышкой, чтобы показать матрицы IGBT и свободно вращающиеся диоды. |
Электроника Портал  | Викискладе есть медиафайлы, связанные с IGBT. |
