絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT または IGBT)。スキーム、説明

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パワー半導体デバイス。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT または IGBT)。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) (英語の略語 IGBT - Isolated Gate Bipolar Transistor) は、入力に電界効果トランジスタ、出力にバイポーラトランジスタを備えた半導体デバイスです。

これらの組み合わせの 7.4 つを図に示します。 XNUMX. デバイスは、バイポーラトランジスタ E (エミッタ) と C (コレクタ) の出力によって電源回路に導入され、出力 G (ゲート) によって制御回路に導入されます。

したがって、IGBTは XNUMXつの外部端子: エミッタ、コレクタ、ゲート。エミッタとドレイン (D)、ベースとソース (S) の接続は内部にあります。 XNUMX つのデバイスを XNUMX つの構造に組み合わせることで、電界効果トランジスタとバイポーラトランジスタの利点、つまり高電流負荷での高い入力抵抗と低いオン状態抵抗を組み合わせることが可能になりました。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBTまたはIGBT）
米。 7.4. オプションの XNUMX つは、オン状態での IGBT 構造の電流負荷と低抵抗です。

IGBTの構造

IGBT 構造の断面図を図に示します。 7.5。バイポーラトランジスタ (図 7.5、a) は、層 p + (エミッタ)、n (ベース)、p (コレクタ) によって形成されます。フィールド - 層 n (ソース)、n + (ドレイン)、および金属プレート (ゲート)。層 p+ および p には、電源回路に含まれる外部リードがあります。シャッターの出力は制御回路に含まれています。

図に7.5、bが表示されます 第XNUMX世代IGBT構造、「凹型」チャネル技術（トレンチゲート技術）に従って作られており、これにより、pベース間の抵抗を排除し、デバイスのサイズを数倍小さくすることができます。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBTまたはIGBT）
米。 7.5。 IGBT の構造: a - 標準的なトランジスタの構造。 b- トレンチゲート技術を使用して作成されたトランジスタの構造

動作原理と特長

包含プロセス IGBT は XNUMX つの段階に分けることができます。

ステージ 1 - ゲートとソースの間に正の電圧を印加した後、電界効果トランジスタが開きます (ソースとドレインの間に n チャネルが形成されます)。
ステージ 2 - 領域 n から領域 p への電荷の移動により、バイポーラトランジスタが開き、エミッタからコレクタへの電流が発生します。

このように、 電界効果トランジスタはバイポーラの動作を制御します。完全オン状態での公称電圧が 600 ～ 1200 V の範囲にある IGBT の場合、バイポーラトランジスタと同様に、順方向電圧降下は 1,5 ～ 3,5 V の範囲になります。

これは、同じ電圧定格を持つ導電性パワー MOSFET の標準的な電圧降下よりも大幅に小さくなります。

一方、公称電圧が 200 V 以下の MOSFET は、IGBT よりもオン状態電圧が低く、低い動作電圧と最大 50 A のスイッチング電流でもこの点で無敵です。

速度の点では、IGBT は MOSFET より劣りますが、バイポーラトランジスタよりは大幅に優れています。典型的な 吸収時間の値 IGBT がオフになったときの蓄積電荷と電流降下は、それぞれ 0,2 ～ 0,4 μs と 0,2 ～ 1,5 μs の範囲にあります。

安全な作業エリア IGBT は、定格電流が数百アンペアのモジュールに対して、10 ～ 20 kHz の周波数でスイッチングパスを形成するための追加回路を使用せずに、その信頼性の高い動作を確実に確保できます。このような性質は、ダーリントン回路に従って接続されたバイポーラトランジスタにはありません。

最大 500V までのスイッチ電源でバイポーラ MOSFET がディスクリート MOSFET に取って代わられたのと同様に、より高電圧電源 (最大 3500V) でもディスクリート IGBT が同様の働きをします。

IGBT モジュール

IGBT モジュール 内部配線図によると 以下を表す場合があります。

シングル IGBT;
ダブルモジュール (ハーフブリッジ)。XNUMX つの IGBT が直列に接続されています (ハーフブリッジ)。
チョッパ。単一の IGBT がダイオードと直列に接続されています。
単相または三相ブリッジ。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBTまたはIGBT）
米。 7.6. IGBT モジュールのスキーム: a - 単一 IGBT。 b - ダブルモジュール; c - コレクターブレーカー（チョッパー）。 g - エミッター遮断器 (チョッパー)

インタラプタを除くすべての場合において、モジュールには各 IGBT と並列にフライバックダイオードが内蔵されています。最も一般的な IGBT モジュールの接続図を図に示します。 7.6.

個々の要素とモジュールの主な違い

ディスクリートデバイスと高電流モジュールの主な違いは、他の回路要素に電気的に接続する方法にあります。ディスクリート部品は、はんだ付けによってプリント基板上の回路要素に接続されます。

プリント基板の接点接続における電流の最大値は、通常、定常状態動作では 100 A を超えません。これにより、並列接続されるコンポーネントの数に自然な制限が課せられます。一方、大電流モジュールにはネジ端子が付いています。したがって、ケーブルラグに接続することも、バスバーに直接接続することもできます。高電流モジュールは、スルーホールを通じて PCB に直接接続することもできます。

モジュールは XNUMX つのバージョンで利用可能:

シングルキー方式（MDTKIシリーズ）による。
2 キースキーム (MXNUMXTKI) に従って;
電流遮断器、チョッパー（MTKIDシリーズ）の方式による。

トランジスタは、超高速リカバリソフトリカバリダイオード (FRD) であるフライバックダイオードによってシャントされます。

著者: Koryakin-Chernyak S.L.

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