В.И.Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. - Москва:
Техносфера, 2005. - 632 с.
[c. 49-50]

Биполярный транзистор с изолированным затвором

      В биполярном транзисторе с изолированным затвором соединены в одном кристалле по схеме составного мощным биполярный транзистор и управляющий MOSFET, что показано на рис.1. Такой комбинированный транзистор сочетает простоту управления MOSFET с низким падением напряжения на единицу площади, что свойственно биполярному транзистору.

Рисунок 1 – Эквивалентная схема IGBT

      Обозначение IGВТ (Isolated Gate Bipolar Transistor) на электрических схемах показано на рис.2. Со времени промышленного выпуска первых типов IGВT в начале 80-х годов известны четыре поколения этих приборов.

Рисунок 2 – Обозначение IGВТ на электрических схемах

      Несмотря на недостатки, связанные с быстродействием, IGBT обеспечивают существенные преимущества во многих высоковольтных и высокоамперных применениях, таких как приводы, инверторы, устройства бесперебойного питания.
      Структура IGBT похожа на структуру вертикального MOSFET за исключением того, что основой является сильнолегированный кремний р-типа. Между базой и коллектором биполярного транзистора подключается MOSFET. Интеграция в одном приборе двух устройств, а не использование их как отдельных (дискретных) имеет преимущество, заключающееся в том, что, когда IGBT находится во включенном состоянии, БТ также находится во включенном состоянии, и происходит изменение проводимости n-области, что сильно снижает сопротивление стока MOSFET.

      Площадь, занимаемая MOSFET в IGBT, обычно очень мала. Время включения IGBT такое же, как аналогичный параметр биполярного транзистора (БТ) (имеете с временем задержки около 80 нc), а время выключения намного больше, чем у одиночного БТ, вследствие того, что в IGBT нет возможности ускорить процесс выключения созданием отрицательного базового тока. На рис.3 показан процесс выключения IGBT, когда его нагрузка имеет индуктивно-активный характер и блокирована диодом. В начале своего изменения коллекторный ток снижается очень быстро, но затем медленно тянется к нулю. Начальный этап соответствует той части тока устройства, которая идет через MOSFET. Тянущаяся (хвостовая) часть тока выключения тока IGBT (время t) по существу, является током БТ при оборванной базе. Уменьшая время жизни неосновных носителей в базе БТ, можно добиться более быстрого выключения, но при этом возрастает падение на приборе во включенном состоянии. Параллельный тиристор, существующий в структуре IGBT, может самопроизвольно включаться, если ток прибора растет с очень большой скоростью или скорость подъема напряжения при выключении прибора слишком велика.

Рисунок 3 – Процесс выключения IGBT

      Известен довольно простой способ уменьшить время рассасывания носителей IGBT при его выключении (может составлять до 1,5 мкс) и время спада тока (до 1,2 а мкс), что позволит вести работу ключа на более высоких частотах. Идея заключается в подсоединении к IGBT мощного полевого транзистора.
      На рис.4 показана схема, в которой ключ работает на индуктивно-активную нагрузку, блокированную диодом. MOSFET включается на короткое время, и начало его включения должно опережать спад управляющего напряжения Uзэ. Ток нагрузки «перехватывается» полевым транзистором, благодаря чему сокращается время задержки (рассасывания носителей) в IGBT. После спада тока в IGBT некоторое время ток нагрузки проводит только MOSFET, и напряжение на открытом ключе несколько возрастает. После снятия отпирающего импульса на затворе MOSFET происходит быстрый слад тока, что позволяет уменьшить потери на выключение в схеме.

Рисунок 4 – Работа ключа, составленного из IGBT и MOSFET, на индуктивно-активную нагрузку: а – схема, б – диаграммы управляющих сигналов и напряжения на ключе.