Isolerad gate bipolär transistor (IGBT, eng. Insulated-gate bipolar transistor , IGBT ) är en effekthalvledarenhet med tre elektroder som kombinerar två transistorer i en halvledarstruktur : bipolär (bildar en effektkanal) och fält (bildar en kontrollkanal) [ 1] . Den används främst som en kraftfull elektronisk nyckel för att byta strömförsörjning , växelriktare , i elektriska drivsystem .
Kaskadkopplingen av två typer av transistorer låter dig kombinera deras fördelar i en enhet: utgångsegenskaperna hos den bipolära (stor tillåten driftspänning och öppen kanalsistans, proportionell mot strömmen och inte kvadraten på strömmen, som i fältet ) och fältets indataegenskaper (minsta kontrollkostnader). Styrelektroden kallas en gate, som en fälteffekttransistor, de andra två elektroderna kallas en emitter och en kollektor, som en bipolär [2] [3] .
Både individuella IGBT:er och kraftaggregat (moduler) baserade på dem produceras till exempel för att styra trefasströmkretsar.
Fram till 1990 -talet användes bipolära transistorer som effekthalvledare förutom tyristorer . Deras effektivitet har begränsats av flera nackdelar:
Med tillkomsten av fälteffekttransistorer , tillverkade med MOS -teknik ( eng. MOSFET ), har situationen förändrats. Till skillnad från bipolära fälteffekttransistorer:
MOSFET:er är lätta att kontrollera, som är fallet med IGBT:er, och har en inbyggd läckdiod för att begränsa oavsiktliga strömstötar. Typiska tillämpningar för dessa transistorer är switchade spänningsomvandlare med höga driftsfrekvenser, ljudförstärkare (den så kallade klass D ).
De första högeffektsfälteffekttransistorerna skapades i Sovjetunionen vid Pulsar Research Institute (utvecklare - V.V. Bachurin) 1973, och deras nyckelegenskaper studerades vid Smolensk-grenen av MPEI (övervakare - V.P. Dyakonov ) [4] . Som en del av dessa arbeten föreslogs 1977 en sammansatt transistor där en kraftfull bipolär transistor styrs av en isolerad gate-fälteffekttransistor. Det visades att utgångsströmmarna och spänningarna för sammansatta strukturer bestäms av en bipolär transistor, medan de ingående bestäms av en fälteffekttransistor. Samtidigt är den bipolära transistorn i nyckeln baserad på den sammansatta transistorn inte mättad, vilket kraftigt minskar avstängningsfördröjningen [5] och bestämmer fördelarna med sådana enheter som strömbrytare [6] . Halvledarenheten, kallad "pobistor", fick USSR-författarcertifikat nr 757051. Den är gjord i form av en enda struktur som innehåller en kraftfull bipolär transistor, på vars yta en fälteffekttransistor med en V-formad isolerad grind skapas [7]
Den första industriella designen av IGBT patenterades av International Rectifier 1983. Senare, 1985, utvecklades IGBT:er med en helt platt struktur (ingen V-kanal) och högre driftspänningar. Detta hände nästan samtidigt i laboratorierna hos General Electric ( Schenectady , New York) och RCA ( Princeton , New Jersey). Ursprungligen kallades enheten COMFET, GEMFET eller IGFET. På 1990-talet antogs namnet IGBT. De första IGBT:erna blev inte populära på grund av fosterskador - långsam växling och låg tillförlitlighet. Den andra (1990-talet) och tredje (moderna) generationen av IGBT:er blev i allmänhet av med dessa laster.
IGBT kombinerar fördelarna med två huvudtyper av transistorer:
Användningsområdet är från tiotals till 1200 ampere i ström, från hundratals volt till 10 kV i spänning. I området för strömmar upp till tiotals ampere och spänningar upp till 500 V är det tillrådligt att använda konventionella MOS - (MIS-) transistorer, och inte IGBT, eftersom fälteffekttransistorer har mindre motstånd vid låga spänningar.
Huvudapplikationen för IGBT är växelriktare , växlingsströmregulatorer, frekvensomriktare .
IGBT:er används i stor utsträckning i svetsströmkällor, för att styra en kraftfull elektrisk drivning, inklusive i stadstrafik.
Användningen av IGBT-moduler i traktionsmotorstyrsystem gör det möjligt (jämfört med tyristorenheter) att ge hög effektivitet , hög jämnhet hos maskinen och möjligheten att använda regenerativ bromsning vid nästan vilken hastighet som helst.
IGBT:er används vid arbete med hög spänning (mer än 1000 V ), hög temperatur (mer än 100 °C) och hög uteffekt (mer än 5 kW ). IGB-transistorer används i motorstyrkretsar (vid en arbetsfrekvens på mindre än 20 kHz ), avbrottsfri strömförsörjning (med konstant belastning och låg frekvens) och svetsmaskiner (där hög ström och låg frekvens krävs - upp till 50 kHz ).
IGBT:er och MOSFET:er upptar medeleffekten och frekvensområdet, delvis "överlappar" varandra. Generellt sett är MOS mest lämpliga för högfrekventa lågspänningssteg, och IGBT är mest lämpliga för högspänningseffektsteg.
I vissa fall är IGBT:er och MOSFET:er helt utbytbara, enhetens pinout- och styrsignalegenskaper för båda enheterna är vanligtvis desamma. IGBTs och MOSFETs kräver 12-15V för att slå på helt och behöver ingen negativ spänning för att stängas av som en gated tyristor . Men "spänningsstyrd" betyder inte att det inte finns någon ström i grindkretsen när IGBT kopplas om. Grinden för en IGBT (liksom en MOS-transistor) för styrkretsen är en kondensator med en kapacitans som når enheter på nanofarader (för kraftfulla enheter), som bestämmer pulsarten hos grindströmmen. Grinddrivaren måste snabbt kunna ladda och ladda ur denna kapacitans för att säkerställa snabb omkoppling av transistorn.