3. Эксплуатация модулей igbt
Модули IGBT Н-серий третьего поколения фирмы Митсубиси характеризуются стойкостью, низкими потерями, малым напряжением насыщения при высокой скорости переключения, требующейся для работы на частоте 20 кГц.
3.1. Структура и работа модуля igbt
IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором – это переключающий транзистор, который управляется напряжением, прикладываемым к затвору.
Краткое сравнение структур IGBT, MOSFET и n-p-n биполярного транзистора (BJT) представлено на рис. 3.1. n-p-n BJT - трехпереходное устройство, требующее продолжительного протекания тока в области базы для подачи достаточных зарядов, позволяющих переходам проводить ток. Т.к. MOSFET и IGBT являются устройствами, управляемыми напряжением, им требуется только наличие напряжения на затворе для поддержания проводимости через устройство. IGBT имеет на один p-n переход больше, чем MOSFET, и это позволяет осуществить модуляцию проводимости, как описано ниже. Однако, этот дополнительный p-n переход в IGBT ограничивает частоту переключений.
Рис. 3.1. Внутренняя структура трех основных полупроводниковых устройств
1 - n-p-n силовой биполярный;
2 - n-канальный силовой MOSFET4
3 - n-канальный силовой IGBT;
4 - малое падение напряжения в открытом состоянии;
5 - устройство управления током, большая мощность управления;
6 - средняя скорость переключений;
7 - большое падение напряжения в открытом состоянии для основных носителей;
8 - управление напряжением, малая мощность управления;
9 - очень быстрое переключение;
10 - среднее падение напряжения в открытом состоянии;
11 - управление напряжением, малая мощность управления;
12 - быстрое переключение;
13 - преимущество;
14 - недостаток.
3.1.1. Силиконовая структура
Силиконовая структура IGBT показана на рисунке 3.2. Положительное напряжение на затворе притягивает электроны из “р” области затвора по направлению к силиконовой поверхности под затвором. Эти электроны преобразуют “р” область непосредственно под затвором в “п” область, создавая путь для протекания заряда между “п” областью коллектора и “п” областью эмиттера. Нулевое или отрицательное напряжение (в зависимости от устройства) на затворе создается выключающим смещением.
Рис. 3.2. Разрез IGBT и силиконовая структура
1 - дырки
2 – электроны
3.1.2. Работа устройства
Когда устройство включено, коллектор находится под более высоким напряжением чем эмиттер и, следовательно, неосновные носители инжектируются из р+ области коллектора в область объема буфера коллектора (п+ буферный слой и “п” область коллектора). Подвижные “n” и “p” заряды снижают сопротивление области объема буфера коллектора и поэтому падение напряжения коллектор – эмиттер снижается (относительно VDS(on) MOSFET, где имеются только “п” носители).
При первой подаче положительного напряжения на затвор ток затвора протекает до тех пор, пока не зарядится емкость затвора и напряжение затвора поднимется до уровня “включение”. При снятии напряжения с затвора заряды, инжектированные в область буфера коллектора должны быть устранены до того, как высокое напряжение может быть снято.
Поверхность эмиттера IGBT состоит из совокупности полос в противоположность ячеисто-базовой геометрии полевого транзистора. IGBT использует те же преимущества малых устройств что и MOSFET, но полосовая геометрия дает большую механическую прочность и устойчивость к запиранию паразитного тиристора, показанного на рисунке 3.3а. Модель типичного IGBT показана на рисунке 3.3b. В IGBT Н-серий применены оптимизированные буферный слой, р± хорошее легирование и выравнивание, конструкция затвора и конструкция поверхностной кристаллической решетки. Технология управления временем жизни неосновных носителей позволяет снизить коэффициент усиления “р-п-р” биполярного элемента и свести до минимума побочное значение RBE, т.о. предотвращая самопроизвольное запирание. Следовательно, эквивалентная схема IGBT Н-серий сводится к схеме, приведенной на рис.3.3b.
Рис. 3.3а. Модель обычного типа
Рис. 3.3b. Модель усиленного IGBT Н-серий
Рис.3.4. Чипы IGBT