Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

В этом транзисторе соединены в одном кристалле по схеме составного мощный биполярный транзистор и управляющий полевой транзистор. Эквивалентная схема IGBT транзистора представлена на рис.1.50.

Условное обозначение IGBT транзистора на принципиальных схемах показано на рис.1.51.

Эти транзисторы изготавливаются на токи до 2000А и напряжения до 2000В при частоте до 100кГц. Вольтамперные характеристики транзистора подобны характеристикам полевого транзистора (рис.1.52).

IGBT транзистор подобно полевому транзистору управляется напряжением, подаваемым на затвор относительно эмиттера. Область применения - силовые преобразователи, в частности, для управления электроприводов. Часто IGBT выпускаются в виде модулей, оснащенных защитными диодами в цепи эмиттер-коллектор, предохраняющими транзистор от перенапряжения.

1.10. Тиристоры

Тиристор — это полупроводниковый прибор, имеющий не менее четырех слоев полупроводника и соответственно не менее трех p-n-переходов, обладающий двумя устойчивыми состояниями: низкой проводимости (закрытый) и высокой проводимости (открытый). Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется внешним воздействием — электрическим током (или светом в фототиристорах). В зависимости от числа внешних электродов различают тиристоры диодные (динисторы), имеющие два электрода, а также триодные (тринисторы), имеющие три электрода. В зависимости от способности пропускать ток в одном или двух направлениях тиристоры могут быть однопроводящие (несимметричные) и двухпроводящие (симметричные). В диодных тиристорах переход из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины. Вольтамперная характеристика диодного тиристора обязательно содержит участок с отрицательным сопротивлением. Диодные тиристоры применяются сравнительно редко.

Триодные тиристоры содержат управляющий электрод (рис.1.53). При этом по цепи управления может выполняться только одна операция — отпирание (в однооперационных тиристорах) или две операции — отпирание и запирание (в двухоперационном тиристоре). Например, отрицательным импульсом производится запирание, а положительным — отпирание.

Симметричные тиристоры (симисторы) пропускают ток в обоих направлениях и эквивалентны двум встречно-параллельно включенным обычным несимметричным тиристорам.

На рис.1.54 представлена классификация тиристоров. Кроме представленной, существует так же классификация тиристоров по их эксплуатационным параметрам: мощности, быстродействию и т.д.

Наиболее распространенные триодные тиристоры имеют структуру, показанную на рис.1.53. Эта структура содержит четыре слоя полупроводника с чередующимся типом проводимости. Питающее напряжение подается так, что переходы П1 и ПЗ оказываются смещенными в прямом, а переход П2 — в обратном направлениях. Сопротивление открытых переходов П1 и ПЗ незначительно и все напряжение прикладывается к закрытому переходу П2. Ток через тиристор мал и при повышении напряжения увеличивается незначительно, пока напряжение на переходе П2 не достигнет критического значения U_вкл. После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда, ток через тиристор I_a растет, падение напряжения на внешнем токоограничительном резисторе R возрастает напряжение на тиристоре U_a падает до незначительной величины (0,5–1,0 В). При дальнейшем изменении U_a (или R) ток в приборе будет нарастать в соответствии с вертикальным участком вольтамперной характеристики (рис.1.55). Такой лавинный пробой перехода П2 является рабочим и не вызывает разрушения тиристора. При уменьшении тока ниже величины I_уд происходит восстановление закрытого состояния. Время восстановления состояния после снятия напряжения составляет 10-30 мкс.

Участок оа соответствует запертому состоянию тиристора; участок ab — лавинообразному процессу включения, характеризующемуся отрицательным дифференциальным сопротивлением; участок bc — рабочему режиму тиристора. Выключить тиристор, т.е. перевести его с участка bc на участок оа или ad, можно снизив ток нагрузки ниже величины тока удержания I_уд или приложив к тиристору напряжение обратной полярности.

Приведенная на рис. 1.55 вольтамперная характеристика соответствует тиристору при отсутствии воздействия по цепи управления: динистору или тринистору при I_у = 0. При этом для обеспечения включения тиристора напряжение питания Е должно быть больше величины напряжения включения U_вкл вид данного тиристора.

На рис.1.56 показано влияние тока управления. Наличие I_у уменьшает напряжение включения и при достаточно больших I_у участок закрытого состояния на прямой ветви вольтамперной характеристики исчезнет; прямая ветвь станет идентичной характеристике обычного выпрямительного диода. На рис.1.56 вольтамперная характеристика тиристора совмещена с вольтамперной характеристикой нагрузочного резистора, представляющей собой прямую, соединяющую точку Е на оси абсцисс и точку E/R на оси ординат. Пересечение характеристик тиристора и резистора показывает положение рабочих точек тиристора в закрытом (точка А при I_у =0) и открытом (точка В) состояниях.

В фототиристорах управление включением происходит под воздействием светового потока на переход П2 через специальное прозрачное окно в корпусе. При этом увеличение величины светового потока снижает значение напряжения включения.

Симметричные тиристоры имеют симметричную вольтамперную характеристику относительно начала координат (рис.1.57). Они могут открываться на обеих полуволнах переменного питающего напряжения Е.

Тиристоры характеризуются следующими основными параметрами:

1. Прямой ток I_а, — среднее значение тока через включенный тиристор в однополупериодной схеме выпрямления синусоидального тока частотой 50 Гц и максимально допустимой температуре.

2. Прямое падение напряжения DU_а от прохождения прямого тока.

3. Предельный ток I_п — максимально допустимое среднее за период переменного тока значение прямого тока при максимально допустимой температуре I_п > I_а.

4. Ток выключения I_вык - минимальный прямой ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии после его включения при снятии импульса управления.

5. Ток удержания I_уд — минимальный прямой ток при разомкнутой цепи управления, при котором тиристор еще остается во включенном состоянии.

6. Ударный ток — максимально допустимая амплитуда импульса прямого тока длительностью 10 мc в режиме аварийной перегрузки.

7. Дифференциальное сопротивление .

8. Напряжение отсечки U_отс — напряжение, равное отрезку отсекаемому на оси напряжения прямой, проходящей через две точки прямой ветви вольтамперной характеристики с ординатами равными 1,57 и 4,73 предельного тока. Котангенс угла наклона у этой прямой пропорционален R_д.

9. Напряжение включения U_вкл — наименьшее прямое напряжение, при котором включается тиристор с разомкнутой цепью управления.

10. Максимальное обратное напряжение U_обр — напряжение, соответствующее области загиба обратной ветви вольтамперной характеристики.

11. Повторяющееся напряжение U_повт — максимальное мгновенное значение прямого или обратного напряжения.

12. Неповторяющееся напряжение — максимальное мгновенное значение любого неповторяющегося переходного напряжения, вызванного внешней причиной (грозовые перенапряжения и т.п.).

13. Ток утечки I_ут — ток через запертый тиристор при приложении прямого напряжения.

14. Обратный ток I_обр — ток через запертый тиристор при приложении обратного напряжения.

Кроме того, к основным параметрам тиристора относятся параметры цепи управления (величина тока управления, минимальная длительность импульса управления и т.д.), параметры, характеризующие быстродействие прибора (время включения, время выключения, частота коммутации), показатели стойкости тиристора к резким изменениям напряжения (dU/dt) и тока нагрузки (dI/dt).

Лавинный тиристор ТЛ представляет собой комбинацию четырехслойной тиристорной структуры с транзистором. По сравнению с обычным тиристором может выдерживать кратковременные перенапряжения. При перенапряжении происходит лавинный пробой транзистора без разрушения четырехслойной структуры. В тех случаях, когда необходимо обеспечить устойчивость к перенапряжениям как в прямом, так и в обратном направлениях используют пятислойную структуру. Используя лавинные тиристоры, можно упростить схемы с их применением за счет отказа от защиты.

Коммутационные процессы в тиристорах заключаются в динамических процессах, происходящих при включении и выключении тиристоров. На практике тиристоры включают при помощи импульсов управления (в тринисторах) или повышением прямого напряжения больше величины U_вкл (в динисторах). Включение тиристора занимает определенный, промежуток времени t_вкл, определяемый как интервал времени между моментом подачи импульса управления и моментом, когда прямое напряжение снизится до значения 10% от U_вкл. Время включения обратно пропорционально длительности импульса управления и скорости его нарастания и прямо пропорционально величине прямого тока и температуре. При больших скоростях нарастания прямого напряжения dU/dt тиристор может самопроизвольно открыться из-за действия емкостных токов через p-n-переходы. Для предотвращения самопроизвольного включения при больших dU/dt используют шунтирование тиристора контурами, параметры которых вычисляют исходя из активного сопротивления и индуктивности нагрузки.

Выключение однооперационных тиристоров происходит изменением полярности внешнего напряжения. Двухоперационные тиристоры можно выключить импульсом управления. Ток тиристора при выключении уменьшается неравномерно по мере рассасывания носителей. В течение времени обратного восстановления t_ов тиристор еще может включиться, если ему подать прямое напряжение. Поэтому время выключения t_выкл всегда больше времени t_ов. Время выключения растет с ростом температуры и увеличением прямого тока. Увеличение обратного напряжения снижает время выключения.

Для улучшения тех или иных динамических параметров созданы тиристоры с повышенным быстродействием: высокочастотные ТЧ, импульсные ТИ, динамические ТД и быстродействующие ТБ.