Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem ( IGBT , anglicky IGBT ) je zařízení polovodičového rodina tranzistorů , které se používají jako spínače elektroniky, zejména v uspořádání na výkonové elektroniky .
Tato součást, která kombinuje výhody předchozích technologií - to znamená velkou jednoduchost řízení tranzistoru s efektem pole ve srovnání s bipolárním tranzistorem při zachování nízkých ztrát vodivosti druhého - umožnila mnoho pokroků v aplikace výkonové elektroniky, a to jak z hlediska spolehlivosti , tak z hlediska ekonomiky.
Tranzistory IGBT umožnily představit si dříve neživotaschopný vývoj, zejména pokud jde o proměnnou rychlost, stejně jako v aplikacích elektrických strojů a výkonových měničů, které nás doprovázejí každý den a všude, aniž bychom si toho byli zvlášť vědomi: automobily , vlaky , podchody , autobusy , letadla , lodě , výtahy , domácí spotřebiče , televize , domácí automatizace , atd.
Prvním pokusem týkajícím se této komponenty je její realizace v diskrétních součástech, přičemž tranzistor s efektem pole s nízkým výkonem ovládá bipolární výkonový tranzistor (sestava BipMos). Cílem je zjednodušit řídicí obvody vlastní aplikacím spínacích výkonových tranzistorů, které byly v 70. a 80. letech velmi složité .
Technologie IGBT byla patentována ve Spojených státech dne14. prosince 1982Hans W. Beck a Carl F. Wheatley, Jr., pod názvem Power MOSFET s rokem náběhový kraji (Patent n o 4,364,073). Jedná se o nejnovější technologii, která nahrazuje tyristory , Darlingtonovy tranzistory a tyristory GTO .
První generace tranzistorů IGBT měla značné problémy se západkou (nebo západkou ) , které byly napraveny ve druhé generaci, která se objevila na počátku 90. let . Konec XX tého století došlo tři nové IGBT generací, která se zvýšila o představení pro proudy a napětí důležitých (IGBT s příkopu strukturami CSTBT).
Charakteristiky IGBT znamenají, že v roce 2000 se ve všech oblastech výkonové elektroniky široce prosazoval proti jiným typům komponentů pro napěťové rozsahy 600 V až 3300 V a že proniká při vyšších napětích proti GTO , stejně jako v nižší napětí proti MOSFET , i když je pomalejší.
IGBT je hybridní tranzistor, který kombinuje tranzistor s efektem pole typu MOSFET na vstupu a bipolární tranzistor na výstupu. Je tedy řízen hradlovým napětím (mezi hradlem a emitorem ), které je na něj aplikováno, ale jeho vodivostní charakteristiky (mezi kolektorem a emitorem ) jsou bipolární. Ekvivalentní diagram protikladu IGBT tranzistoru ukazuje třetí tranzistor, který představuje parazitní vlastnost odpovědnou za blokování .
Tato struktura mu dává nízké energetické náklady na řízení MOSFET, s nižšími ztrátami vodivosti (v dané oblasti čipu) bipolárního systému. Kromě toho IGBT zvládnou mnohem vyšší napětí, než jaké zpracovávají MOSFETy.
Odpor v zapnutém stavu (inverzní vůči vodivosti ) je definován odporem tranzistoru, když je tranzistor v režimu vedení (říkáme také „nasycený“): v případě FET se také nazývá R DSon , je reprezentován V CEsat pro bipolární. Toto je důležitá charakteristika, protože určuje nárůst teploty součásti v závislosti na proudu I ce : čím nižší je V CEsat , tím vyšší může být přípustný proud. V případě IGBT je on-state odpor minimalizován použitím bipolárního tranzistoru na výstupu a optimalizací jeho saturace. Za tímto účelem je možné snížit R DSon vstupního MOSFET a zvýšit zisk bipolárního tranzistoru. Příliš velký zisk však povede k vysokému riziku zablokování .
Nejnovější technologie SPT ( Soft-Punch-Through ), známé jako SPT + , umožňují dále snižovat pokles dopředného napětí V CEsat řádově o 25 až 30%.
Transkonduktance z IGBT je poměr mezi výstupním proudu a vstupního napětí. Tento poměr závisí na mnoha parametrech, včetně velikosti tranzistoru, teploty nebo výstupního proudu. Na rozdíl od bipolárních tranzistorů MOSFET a IGBT nemají zisk transkonduktance, který klesá s výstupním proudem.
Slabina IGBT (ve srovnání s MOSFET) má za následek v zásadě jeho rychlost přepínání, zejména při přechodu ze zapnutého stavu do blokovaného stavu: „ díry “ přítomné v „zóně N-epitaxe“ ( zóna Drift ) musí rekombinovat nebo být evakuován, když napětí brány poklesne pod spínací práh. Technologie PT má nárazníkovou oblast ( nárazník ) poblíž driftu zóny pro urychlení absorpčních otvorů. Tranzistory IGBT-PT budou proto rychlejší, ale budou mít vyšší napětí V CEsat .
Maximální spínací frekvence lze významně zvýšit použitím pasivních ( disipativních ), ale především aktivních (nedisipativních) „spínacích asistenčních obvodů“ typu „ZVS“ ( Zero Voltage Switch , přepínání na nulu napětí), „ZCS“ ( Zero Current Switch ) nebo jiné. Tyto obvody tím, že zajišťují „měkké spínání“, umožňují drastické snížení spínacích ztrát a současně značně usnadňují shodu zařízení s ohledem na elektromagnetickou kompatibilitu . Kvůli své složitosti a nákladům jsou však stále málo využívány ve vysokých silách.
IGBT má čtyři vrstvy NPNP, které se za určitých podmínek mohou stát vodivými jako tyristor kvůli přítomnosti parazitního tranzistoru mezi emitorem a základnou hlavního bipolárního tranzistoru (viz ekvivalentní diagram výše): c 'je západka - efekt nahoru . Za těchto podmínek zůstane tranzistor zapnutý s destruktivními účinky, dokud není přerušeno napájení. Výrobcům se podařilo snížit tento hlavní problém s tranzistorem IGBT různými způsoby: snížením transkonduktance bipolárního výstupního tranzistoru pomocí nových technik leptání, jako je IGBT Trench. Tyto evoluce a zdokonalení procesů řízení brány znamenají, že fenomén zamykání je v současné době dobře kontrolován a již nepředstavuje problémy pro rozvoj průmyslového využití IGBT.
Bezpečnostní oblast nebo „bezpečná provozní oblast“ nebo SOA (což je zkratka pro bezpečnou provozní oblast ) označuje povolené provozní oblasti tranzistoru v rovině proud - napětí . V těchto oblastech může tranzistor pracovat bez poškození v obdobích, kdy polovodičem protéká velký proud a na jeho svorkách je velké napětí, to znamená mimo provoz „nasycený“. (Pokles vodiče a nízkého napětí ). Ve všech případech mohou být tyto provozní zóny pouze přechodné, protože síly rozptýlené v okamžitých hodnotách jsou o několik řádů vyšší než nominální přípustný výkon součásti. Existují tři kritické fáze:
Následující tabulka ukazuje typický výkon některých produktů na trhu tranzistorů.
Ukazuje obecný trend:
MOSFET 600V | IGBT 600V | IGBT 1700V | IGBT 3300V | IGBT 6500V | GTO 6000V | |
---|---|---|---|---|---|---|
V CEsat při 125 ° C | 2,2 V | 1,8 V | 2,5 V | 3,5 V | 5,3 V | 3 V |
typická frekvence | 15-100 kHz | 6-40 kHz | 3-10 kHz | 1-5 kHz | 0,8-2 kHz | 0,3 - 1 kHz |
Výrobky od určitých výrobců se mohou významně odchýlit od zmíněných hodnot, protože podléhají různým optimalizacím (vylepšení jednoho z parametrů na úkor druhého) nebo používání velmi nejnovějších technik.
Struktura IGBT je založena na struktuře dvojitě rozptýleného vertikálního MOSFETu : tloušťka podpěry se používá k oddělení odtoku od zdroje . Typické tloušťky destiček jsou řádově 70 až 100 um . Takzvaná epitaxní zóna , dotovaná N-, umožňuje vzhled kanálu, když jsou elektrony injektovány bránou ( VG > 0, zapnutý stav).
Technika dvojité difúze se používá k vytvoření jamek dopovaných P / P + v blízkosti zdroje. Přítomnost oblasti dotované P + snižuje riziko blokování a zvyšuje prahové napětí spínání.
Hlavním rozdílem mezi svislým MOSFET a IGBT je existence vrstvy substrátu P + (silně dotovaného ) na straně odtoku / kolektoru. Tato vrstva injektuje otvory do N-vrstvy, což má za následek snížení úbytku napětí v zapnutém stavu a jeho transformaci na bipolární tranzistor .
V zablokovaném stavu je to N-vrstva, která podporuje napětí. Toto maximální napětí bude o to větší, že vrstva N epitaxe je lehce dotovaná a / nebo tlustá.
V zapnutém stavu bude proud omezen šířkou kanálu. Svislé struktury umožňují paralelní umístění několika elementárních článků, aby se zvýšil přípustný proud a snížil sevřený odpor R DSon .
No Punch Through | Prorazit | Punch Through in Trench |
Nejjednodušší strukturou je IGBT NPT (anglická zkratka: Non Punch Through ) s plochou mřížkou. Používá tenčí čipy bez další vrstvy N +. Transkonduktance bude nižší, takže v případě zkratu je robustnější .
Plochá mřížka IGBT PT (zkratka: Punch Through ) používá tlusté čipy s vrstvou vyrovnávací paměti N +. V zásadě má nižší pokles napětí v zapnutém stavu.
Tato vyrovnávací vrstva mezi zónou epitaxe N a zónou vstřikování P + kolektoru umožňuje dosáhnout distribuce lichoběžníkového elektrického pole.
Existují také tranzistory zvané DS-IGBT (pro vyčerpání zastavit IGBT) nebo FS-IGBT (pro Field Stop IGBT), které mají stejné vlastnosti jako PT-IGBT, s méně dotovanou vyrovnávací vrstvou. To umožňuje použít jednodušší výrobní techniky NPT-IGBT.
Předcházející struktury zvané plochá mřížka (anglicky: planar ) mají tu výhodu, že se snadno provádějí. Používá se však také takzvaná technologie příkopové brány (anglicky: trench ): zóna epitaxe je vyříznuta pod mřížkou, aby se snížily jevy blokování a umožnila větší hustota proudu. Tato geometrie je také kompaktnější a obecně efektivnější než geometrie s rovinnou mřížkou.
IGBT se vyrábějí technikami podobnými integrovaným obvodům (jako MOSFET , ale na rozdíl od GTO a výkonových tyristorů ). To má za následek, že velikost čipu je omezena na přibližně 1 cm 2 , zatímco je známo, že se vyrábějí monolitické diody o průměru 150 mm (176 cm 2 ).
Velké IGBT jsou tedy vícečipové moduly složené z mnoha paralelních čipů, obvykle připájených na měděnou nebo Al-SiC podrážku, přes kterou jsou chlazeny . Většina také obsahuje antiparalelní diodu (nebo „volnoběh“), která je sama o sobě vícečipová. Tato dioda je velmi důležitou součástí modulu IGBT, protože její vlastnosti (zejména krycí) musí být kompatibilní se samotnou IGBT, což je zásadní nutnost. To navíc představuje jednu z prvních aplikací pro polovodiče z karbidu křemíku .
Technologie RC IGBT ( reverzní vedení IGBT) integruje do IGBT diodu s volnoběžkou. Výhodou této konfigurace ve srovnání se dvěma samostatnými prvky je to, že umožňuje mít vyšší hustotu výkonu a mít diodu se stejným jmenovitým proudem jako IGBT, přičemž dva prvky používají stejnou polovodičovou zónu. Na druhou stranu, dioda je optimalizována pro malý pokles napětí ve vedení a ne pro minimální dobu zotavení, tuto konfiguraci lze použít pouze s měkkým přepínáním.
Existují hlavně „N-kanály“ IGBT. Doplňková struktura „kanálu P“ je možná, ale omezená na malé výkony, protože pokud jde o bipolární tranzistory a MOSFET, získané vlastnosti jsou méně dobré (například vyšší ztráty).
Tyto komponenty jsou k dispozici prakticky ve všech běžných baleních, od malého plastového pouzdra ( TO-220 ) pro proudy od několika zesilovačů do několika desítek zesilovačů a napětí kolektor-emitor od 600 do 1 500 voltů, až po moduly s vysokým výkonem několika sto ampér a pár kilovoltů . V balíčcích tiskových balíčků jsou také IGBT , což je zapouzdření, které se již používá pro určité tyristory , s výhodami, které to přináší.
Tyto komponenty jsou k dispozici v rozsahu napětí od 600 (a méně) do 6500 voltů a proudy do 2400 ampérů na modul. Nejběžnější hodnoty napětí jsou:
Obvyklými aplikacemi IGBT jsou střídače , usměrňovače a střídače pro spínání a napájení s proměnnými otáčkami , ale také pro FAKTA .
IGBT se používá téměř výhradně při přepínání, to znamená, když jsou žádoucí pouze nasycené a blokované stavy. Nicméně, stejně jako jakýkoli tranzistor, že má „lineární“ nebo aktivní operační oblast, která může být použita pro konkrétní aplikace ( zesilovače , atd ).