Reja: Bipolyar tranzistorlarning paydo bo`lishi

Mavzu: Zatvori izolyatsiya qilingan bipolyar tranzistorlar

Reja:

1. 
   Bipolyar tranzistorlarning paydo bo`lishi
   
2. 
   
   

Hozirgi vaqtda bipolyar tranzistorlar (BPT) va ularning yangi turi izolyatsiyalangan maydon effektli tranzistorlar (MOSFET) 50 A gacha bo'lgan toklarni va 500 V gacha kuchlanishni almashtirish sohasida asosiy to'liq boshqariladigan quvvat elektronikasi qurilmalaridir. Yuqori darajadagi tok va kuchlanish darajalari bir necha kilovoltgacha bo'lgan yuqori voltli quvvat moslamalarining joyini izolyatsiya qilingan eshikli bipolyar tranzistorlar (IGBT) egallagan.

1980-yillarda paydo bo'lgan MOSFET-lar ideal kalitga o'xshash xususiyatlarga ega edi va eng mashhur asosiy elementlar edi. Biroq, ularning qo'llanilish doirasini cheklaydigan asosiy parametr drenajdagi ruxsat etilgan kuchlanish ekanligi ma'lum bo'ldi. Ochiq tranzistorning kanal qarshiligi buzilish voltajining kvadratiga mutanosib ravishda o'sib borganligi sababli, etarli darajada yaxshi xususiyatlarga ega yuqori voltli MOSFET tranzistorlarini yaratish hali ham mumkin emas. Bu ularni yuqori samaradorlikka ega qurilmalarda ishlatishni qiyinlashtiradi.

80-yillarning o'rtalarida maydon tomonidan boshqariladigan bipolyar tranzistorni yaratish g'oyasi paydo bo'ldi va 90-yillarning o'rtalarida IGBT tranzistorlari bir qator kompaniyalar kataloglarida paydo bo'ldi (ular orasida birinchilardan biri Xalqaro rektifikator) . Hozirgi vaqtda ushbu tranzistorlar yarimo'tkazgichli qurilmalarning barcha etakchi ishlab chiqaruvchilarining kataloglarida joylashgan.

KVt quvvatli yuqori voltli quvvat konvertorlari maydonidan tashqari, IGBT tranzistorlari maishiy texnika vositalarida keng tezlikni boshqarish diapazoniga ega bo'lgan nisbatan kam quvvatli drayverlarni boshqarish uchun ishlatiladi. Shunday qilib, IGBTlar kir yuvish mashinalarida va inverterli konditsionerlarda qo'llanilishini topdi. Ular, shuningdek, avtomashinalarni elektron yoqish uchun yuqori voltli kalit sifatida muvaffaqiyatli ishlatilmoqda. Ushbu zamonaviy kommutatsion tranzistorlar telekommunikatsiya va server tizimlarida quvvat manbalarini almashtirishda keng qo'llaniladi.

IGBT - bu induktsiya qilingan kanal bilan nisbatan past kuchlanishli MOSFETdan boshqariladigan bipolyar pnp tranzistor (1a-rasm).

1. IGBT tranzistorining ekvivalent davrlari

IGBT moslamalari - bu ikkala bipolyar (past darajadagi voltajning pasayishi, yuqori kuchlanish kuchlanishlari) va MOSFETlarning (past boshqaruv quvvati, yuqori o'tish tezligi) ijobiy fazilatlarini birlashtirishga imkon beruvchi murosali texnik echim. Shu bilan birga, ularning yo'qotishlari maydon effektli tranzistorlar singari oqim kvadratiga emas, balki oqimga mutanosib ravishda o'sadi. IGBT tranzistorlarining maksimal kuchlanishi faqat texnologik buzilish bilan cheklanadi va bugungi kunda ish kuchlanishi 4000 V gacha bo'lgan qurilmalar ishlab chiqarilmoqda, tranzistorda qoldiq kuchlanish yoqilgan holatda 2 ... 3 V dan oshmaydi .

Tezlik jihatidan IGBT quvvatli qurilmalar hali ham MOSFET tranzistorlaridan kam, ammo ular bipolyarlardan ustundir.

Asosiy IGBT katakchasining tuzilishi shakl. 2a. U drenaj maydonida qo'shimcha p ⁺ qatlamini o'z ichiga oladi , buning natijasida juda katta maydonga ega bo'lgan pnp bipolyar tranzistor hosil bo'ladi, bu muhim oqimlarni almashtirishga qodir. Tuzilishning yopiq holatida epitaksial n ^- qatlamning tükenme hududiga tashqi kuchlanish qo'llaniladi . Izolyatsiya qilingan eshikka ijobiy tanqislik qo'llanilganda , p-mintaqasida o'tkazuvchi kanal paydo bo'ladi (rasmda u nuqta chiziq bilan ko'rsatilgan) va mos keladigan MOS tranzistor yoqilgan bo'lib, bipolyar pnp tranzistor ochilishini ta'minlaydi. Hujayraning tashqi pinlari orasida? oqim kollektor va emitent orqali oqishni boshlaydi. Bunday holda, MIS tranzistorining drenaj oqimi ( B) da kuchaytirilgan bo'lib chiqadi+1) marta. Bipolyar tranzistorlar ochilganda haqida, qarama-qarshi tashuvchilar (elektronlar va teshik) GO oqadi N ^- mintaqaning bu mintaqaning qarshilik kamayishiga va qurilmada qoldiq kuchlanish qo'shimcha kamayishi sabab bo'ladi.

Shakl.2. IGBT tranzistorlarining birlik hujayralarining tuzilmalari

Ochiq qurilmadagi kuchlanish pnp tranzistorining (diod komponenti) oldinga yo'naltirilgan emitent birikmasidagi kuchlanish yig'indisi va modulyatsiya qilingan n ^{- mintaqaning} (ohmik komponent) qarshiligidagi kuchlanish pasayishi :

,

bu erda R _MDS  - IGBT strukturasidagi MOSFET tranzistorining qarshiligi (epitaksial n ^- qatlamning qarshiligi ); b - bipolyar pnp tranzistorining tayanch oqimining uzatish koeffitsienti.

Hozirgi vaqtda IGBT tranzistorlaridagi kuchlanish pasayishini ochiq holatda kamaytirish, ruxsat etilgan oqimlar, kuchlanish va xavfsiz ishlash sohalarini kengaytirish uchun ular vertikal eshik texnologiyasi - xandaq-shlyuz texnologiyasi yordamida ishlab chiqarilmoqda (2-rasm). 2b). Bunda birlik katakchasining kattaligi 2 ... 5 marta kamayadi.

Qoida tariqasida, IGBT tuzilishi ishlab chiqilgan ishlaydigan oqimlar oralig'ida qurilmadagi qoldiq kuchlanish haroratga zaif bog'liq (3-rasm).

 3. Ochiq qurilmadagi kuchlanish pasayishining yuqori voltli MOSFET tranzistorli IRF840 va IGBT tranzistorlari uchun 10 A oqimdagi haroratga bog'liqligi.

IGBT qurilmasining kuchaytiruvchi xususiyatlari S moyilligi bilan tavsiflanadi, bu IGBT strukturasidagi MIS va bipolyar tranzistorlarning kuchaytiruvchi xususiyatlari bilan belgilanadi. Shunga ko'ra, IGBTlar uchun nishab qiymati bipolyar va MOS tranzistorlariga nisbatan yuqori.

IGBT strukturasining dinamik xarakteristikalari ichki parazitik sig'imlari bilan aniqlanadi, ular MIS tranzistorining interelektrodlar sig'imlari va pnp tranzistorining qo'shimcha quvvatlaridan iborat.

IGBT o'chirilganida yig'ilgan zaryadning tarqalish vaqti va oqimning pasayishi odatiy qiymatlari mos ravishda 0,2 ... 0,4 va 0,2 ... 1,5 ms oralig'ida. Zamonaviy IGBT tranzistorlarining xavfsiz ishlash maydoni 10 dan 20 kHz gacha chastotalarda kommutatsiya yo'lini shakllantirish uchun qo'shimcha sxemalarni ishlatmasdan ularning ishonchli ishlashini muvaffaqiyatli ta'minlashga imkon beradi.

IGBT tranzistorlarining odatiy xususiyatlari shakl. 4-6

 4. IGBT tranzistorining chiqish volt-amper xususiyatlarining oilasi

5. Kollektor-emitent to'yinganlik kuchlanishining eshik-emitent kuchlanishiga bog'liqligi

6. IGBT tranzistorlarining dinamik xususiyatlari (induktiv yuklangan yarim ko'prikli elektron uchun): t _{d (yoqilgan)} va t _{d (o'chirilgan)}  - kechikish vaqtlarini almashtirish; t _r  - kollektor oqimining ko'tarilish vaqti; t _f  - kollektorning hozirgi parchalanish vaqti

Umuman olganda, IGBT tranzistorlarining ishdan chiqishi xavfsiz ishlash zonasi chegaralarining buzilishi bilan bog'liq. Favqulodda vaziyatlarning asosiy qismi ruxsat etilgan maksimal kollektor-emitent kuchlanishidan oshib ketishi bilan bog'liq. Induktiv yuklash va kollektor ta'minotidagi kuchlanishning vaqtinchalik o'tishlari IGBT qurilmalarini ham yo'q qilishi mumkin. Hozirgi vaqtda IGBT tranzistorlarini sotib olishda muammo yo'q. Dalincom Internet-do'koni zamonaviy IGBT tranzistorlarining katta tanlovini arzon narxlarda taqdim etadi.

Ba'zi ishlab chiqaruvchilarning IGBT tranzistorlarining yoqimsiz xususiyati - bu "qulflash" effekti, bu IGBT strukturasining bipolyar qismi va parazit npn tranzistorida hosil bo'lgan tirgak zi mavjudligi bilan bog'liq (1b-rasm). Ba'zi bir ish sharoitida, parazitik qarshilik R _s ustidagi kuchlanish ma'lum bir chegara qiymatidan oshib ketganda, npn tranzistor ochiladi, flip-flop ag'darilib, qulflash sodir bo'ladi. Buning natijasi, qoida tariqasida, qurilmaning ko'chkiga o'xshash ishdan chiqishi.

Bunday holat yuzaga kelishi mumkin bo'lgan IGBT tranzistorlaridan foymaydonngan holda elektron sxemalarni loyihalashda maksimal oqimlarni cheklash va dV / dt ni cheklashga alohida e'tibor qaratish lozim. Favqulodda holatdagi qisqa tutashuv tokini cheklash uchun eshik va emitent o'rtasida himoya zini kiritish tavsiya etiladi, bu esa kollektor oqimining keskin oshishi bilan eshik-emitent kuchlanishining oshishiga yo'l qo'ymaydi. Eng yaxshi variant - ketma-ket ulangan Schottky diodasi va + 15 ... + 16 V kuchlanishgacha zaryadlangan kondensatorning eshik-emitrli ziga parallel ravishda ulanish. 15 ... 16 V zenerdan foymaydonnishga ruxsat beriladi himoya elementi sifatida diyot.

IGBT tranzistorlarini kollektor-emitr zidagi haddan tashqari kuchlanishni almashtirishdan himoya qilish uchun to'g'ridan-to'g'ri quvvat terminallariga o'rnatilgan snubber RC va RCD zlaridan foymaydonning [1].

IGBT-larning eshigi juda yupqa dielektrik qatlami bilan kanaldan elektr izolyatsiyalangan va noto'g'ri ishlatilsa osonlikcha shikastlanishi mumkin. IGBT-tranzistorni normal ravishda yoqish va bu holatdagi minimal yo'qotishlarni ta'minlash bilan to'yinganlik holatiga o'tkazish uchun qurilmaning kirish quvvatini (1000 ... 5000 pF) +15 V ± 10 gacha zaryad qilish kerak. %. Qurilmani yopiq holatga nol kuchlanish va manfiy - -20 V dan yuqori bo'lmagan (odatda –5… ​​-6 V gacha) etkazib berish orqali o'tkazish mumkin. Eshik-emitrning ruxsat etilgan maksimal kuchlanishi +20 V dan oshmasligi kerak. Ushbu kuchlanishdan oshib ketish eshikning izolyatsiyasini buzishi va qurilmaga zarar etkazishi mumkin. IGBT-tranzistorni "to'xtatib qo'yilgan" eshik bilan ham ishlatish tavsiya etilmaydi, aks holda qurilma yolg'on yoqilishi mumkin.

Dinamik yo'qotishlarni kamaytirish va kommutatsiya chastotasini ko'paytirish uchun qurilmaning qisqa tutashuv vaqtini ta'minlash kerak. IGBT tranzistorlariga asoslangan ko'pgina kalitlarning o'tish vaqti 100 ... 1000 ns oralig'ida yotadi, bu esa 5 A gacha va undan yuqori oqim tepaliklaridan foymaydonngan holda qisqa vaqt davomida kirish quvvatini zaryadlashni talab qiladi. Bundan tashqari, qurilmaning emitentiga juda uzoq tutashgan qo'rg'oshin induktivligidan kelib chiqadigan salbiy teskari aloqani kamaytirish kerak.

Tekshirish pallasida shovqinlarni oldini olish uchun boshqaruv pallasi va quvvat maydon effekti tranzistorlari orasidagi bog'lovchi simlarning uzunligi minimal bo'lishi kerak. Ulanish uchun minimal uzunlikdagi o'ralgan juftlikdan foymaydonnish yoki boshqaruv platasining tranzistorning boshqarish terminallariga to'g'ridan-to'g'ri o'rnatilishi maqsadga muvofiqdir. Agar uzoq eshik o'tkazgichlaridan qochib qutulishning iloji bo'lmasa, ehtiyotkorlik uchun past qarshilik qarshiligini eshik bilan ketma-ket ulash lozim. Odatda bu rezistorning qarshiligi 100 ... 200 Ohm oralig'ida bo'lishi etarli.

Shuni ta'kidlash kerakki, IGBT tranzistorlari elektrostatik nosozlikka nisbatan sezgir emas, masalan, CMOS qurilmalari, chunki IGBT tranzistorlarining quvvat sig'imi ancha kattaroq va zaryadsizlanishni qaytarib bo'lmaydigan buzilishga olib kelguncha ko'p energiya to'plashi mumkin. panjur. Shu bilan birga, ushbu qurilmalarni tashish va saqlash vaqtida eshik va emitent terminali o'tkazgichli o'tish moslamalari bilan qisqa tutashgan bo'lishi kerak, bu tranzistorni elektronga ulanmaguncha olib tashlanmasligi kerak. IGBT tranzistorlari bilan montaj ishlarini faqat antistatik bilaguzuk bilan bajarish kerak. Modul aloqa qilishi mumkin bo'lgan barcha vositalar va aksessuarlar topraklanmış bo'lishi kerak. Darvozani to'g'ridan-to'g'ri sxemada statik buzilishdan himoya qilish uchun 10 ... 20 kOhm qarshilikni eshik-emitr davriga parallel ravishda ulash lozim.

Turli ishlab chiqaruvchilar tomonidan elektron qurilmalarning elektron diagrammalarida ishlatiladigan IGBT tranzistorlarining an'anaviy grafik belgilari shakl. 7.

7. IGBT tranzistorlarining an'anaviy grafik belgilari

International Rectifier (IR) turli xil elektr elektronika dasturlariga mo'ljallangan to'rtta IGBT tranzistorlar oilasini ishlab chiqaradi. Sinflarga bo'lish ish chastotalari diapazoniga asoslangan. Standart, Fast, UltraFast, Warp oilalari shu tarzda ajralib turadi (1-jadval).

Jadval 1. IR IGBT tranzistorlarining turli xil oilalarining qiyosiy xususiyatlari