Силовыебиполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)Устройствои особенности работы
Биполярныйтранзистор с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate BipolarTransistors) — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основекоторого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляютсяподачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1приведено условное обозначение IGBT.
Рис. 1. Условное обозначение IGBT Рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT
Коммерческоеиспользование IGBT началось с 80-х годов и уже претерпела четыре стадии своегоразвития.
Iпоколение IGBT (1985 г.):предельные коммутируемые напряжения 1000 В и токи 200 А в модульном и 25 А вдискретном исполнении, прямые падения напряжения в открытом состоянии 3,0-3,5В, частоты коммутации до 5 кГц (время включения/выключения около 1 мкс).
IIпоколение (1991 г.):коммутируемые напряжения до 1600 В, токи до 500 А в модульном и 50 А вдискретном исполнении; прямое падение напряжения 2,5-3,0 В, частота коммутациидо 20 кГц ( время включения/ выключения около 0,5 мкс).
IIIпоколение (1994 г.):коммутируемое напряжение до 3500 В, токи 1200 А в модульном исполнении. Дляприборов с напряжением до 1800 В и токов до 600 А прямое падение напряжениясоставляет 1,5-2,2 В, частоты коммутации до 50 кГц (времена около 200 нс).
IVпоколение (1998 г.):коммутируемое напряжение до 4500 В, токи до 1800 А в модульном исполнении;прямое падение напряжения 1,0-1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (временаоколо 200 нс).
IGBTявляются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структуройметалл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный(образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления).Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Приборвведён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C(коллектор), а в цепь управления — выводом G (затвор).
Такимобразом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединенияэмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двухприборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярныхтранзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малымсопротивлением во включённом состоянии.
Рис.3. Диаграмма напряжения и тока управления
Схематичныйразрез структуры IGBT показан на рис. 4, а. Биполярный транзистор образованслоями p+ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой — слоями n (исток), n+(сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы,включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. Нарис. 4, б изображена структура IGBT IV поколения, выполненого по технологии«утопленного» канала (trench-gate technology), позволяющейисключить сопротивление между p-базами и уменьшить размеры прибора в несколькораз.
Рис.4. Схематичный разрез структуры IGBT: а-обычного (планарного); б-выполненого по«trench-gate technology»
Процессвключения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительногонапряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора(формируется n — канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n вобласть p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока отэмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работойбиполярного.
ДляIGBT с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В в полностью включённомсостоянии прямое падение напряжения, так же как и для биполярных транзисторов,находится в диапазоне 1,5-3,5 В. Это значительно меньше, чем характерноепадение напряжения на силовых MOSFET в проводящем состоянии с такими женоминальными напряжениями.
Сдругой стороны, MOSFET c номинальными напряжениями 200 В и меньше имеют болеенизкое значение напряжения во включённом состоянии, чем IGBT, и остаютсянепревзойдёнными в этом отношении в области низких рабочих напряжений икоммутируемых токов до 50 А.
Побыстродействию IGBT уступают MOSFET, но значительно превосходят биполярные.Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока привыключении IGBT находятся в диапазонах 0,2-0,4 и 0,2-1,5 мкс, соответственно.
Областьбезопасной работы IGBT позволяет успешно обеспечить его надёжную работу безприменения дополнительных цепей формирования траектории переключения причастотах от 10 до 20 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотенампер. Такими качествами не обладают биполярные транзисторы, соединённые посхеме Дарлингтона.
Также как и дискретные, MOSFET вытеснили биполярные в ключевых источниках питанияс напряжением до 500 В, так и дискретные IGBT делают то же самое в источниках сболее высокими напряжениями (до 3500 В).IGBT-модули
Внастоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей впрямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением(«Mitsubishi», «Siemens», «Semikron» и др.) итаблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением («Toshiba SemiconductorGroup»). Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочномпластмассовом корпусе с паяными контактами и изолированным основанием. Всеэлектрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод теплаосуществляется через основание. Типовая конструкция модуля в прямоугольномкорпусе показана на рис. 5.
Рис.5. Типовая конструкция IGBT-модуля: 1 — кристалл; 2 — слой керамики; 3 — спайка; 4 — нижнее тепловыводящее основание
Токуправления IGBT мал, поэтому цепь управления — драйвер конструктивно компактна.Наиболее целесообразно располагать цепи драйвера в непосредственной близости отсилового ключа. В модулях IGBT драйверы непосредственно включены в ихструктуру. «Интеллектуальные» транзисторные модули (ИТМ), выполненныена IGBT, также содержат " интеллектуальные" устройства защиты оттоков короткого замыкания, системы диагностирования, обеспечивающие защиту отисчезновения управляющего сигнала, одновременной проводимости в противоположныхплечах силовой схемы, исчезновения напряжения источника питания и другихаварийных явлений. В структуре ИТМ на IGBT предусматривается в ряде случаевсистема управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и однокристальная ЭВМ.Во многих модулях имеется схема активного фильтра для коррекции коэффициентамощности и уменьшения содержания высших гармонических в питающей сети.
IGBT-модульпо внутренней электрической схеме может представлять собой единичный IGBT,двойной модуль (half-bridge), где два IGBT соединены последовательно(полумост), прерыватель (chopper), в котором единичный IGBTпоследовательно соединён с диодом, однофазный или трёхфазный мост. Во всехслучаях, кроме прерывателя, модуль содержит параллельно каждому IGBT встроенныйобратный диод. Наиболее распространённые схемы соединений IGBT- модулейприведены на рис. 6.
Рис.6. Схемы IGBT-модулей
Интенсивноразвивается технология корпусирования паяной конструкции силовых модулей сцелью дальнейшего снижения габаритов и массы, повышения надёжности, энерго- итермоциклоустойчивости, уменьшения теплового сопротивления и стоимости. Этицели достигаются применением новых материалов и технологий сборки на тонкие иAlN керамические подложки в корпусах с малоиндуктивными выводами, разработкойспециальных конструкций силовых модулей с интегрированным жидкостнымохлаждением и созданием силовых модулей, включая «интеллектуальные»,с использованием матричных композиционных материалов, имеющих хорошиетеплопроводящие свойства и низкие, согласованные с кремнием и керамикой,коэффициенты теплового расширения (КТР).
Вмодулях с интегральным жидкостным охлаждением почти в четыре раза удаётсяувеличить отводимую рассеиваемую мощность по сравнению с сопоставимой поэлектрическим параметрам традиционной конструкцией силового модуля с воздушнымохлаждением.
Применениематричных композиционных материалов (MMC-Metal Matrix Composite)открывает новые перспективы в создании высокомощных, компактных, прочных,надёжных силовых модулей. MMC имеют высокую теплопроводность (MMC-150 Вт/(м*К),Cu-370, Al-200, Si-80), низкий КТР (MMC-7, Cu-17, Al-23, Si-4, -7, AlN-7), чтопозволяет снизить до минимума напряжённости в конструкции модуля, особенно вчипах силовых приборов, обеспечивая хорошую электрическую изоляцию иэффективный отвод тепла. В настоящее время по этой концепции созданы«интелектуальные» силовые модули (выпрямитель-инвертор) мощностью до100 кВт.
Нарядус развитием технологии паяной конструкции силовых модулей с изолированнымоснованием (предельные параметры 1,2 кА, 3,5 кВ) продолжает интенсивноразвиваться технология прижимной конструкции IGBT- модулей, подобная таблеточнойконструкции SCR (Silicon Controlled Rectifier) и GTO — press-packtechnology, в которой наряду с уменьшением более чем в 10 раз тепловогосопротивления и габаритов значительно улучшены надёжность,термоциклоустойчивость. Наиболее высоких параметров IGBT- модулей прижимнойконструкции достигла кампания «Toshiba»(PP HV IGBT-press pack highvoltage IGBT).Целесообразностьприменения IGBT в дискретном и модульном исполнениях
Дискретныеприборы в корпусах ТО-220 и Т-247 («Fullpak») изготовляются массово иимеют низкую стоимость в расчёте на один ампер номинального тока (максимальноезначение рабочего тока 70 А). Сильноточные модули с электрической изоляцией,как правило, содержат ключи, соединённые по полумостовой ключевой схеме или содноключевой конфигурацией. В этих модулях диапазон номинальных токов находитсяв диапазоне от 25 А (для полумостовой схемы с напряжением на 1200 В) до 600 А(для одноключевой схемы с напряжением 600 В).
Привлекательнымичертами сильноточных модулей являются: наличие электрической изоляции, простотамонтажа с охладителем и лёгкость связи с другими модулями для повышениянагрузки цепи. Они также позволяют избежать использования параллельногосоединения ключей для токов, превышающих сотни ампер.
Использованиеприборов в корпусах ТО-220 и ТО-247 со встроенными обратными быстродействующимидиодами становится особенно предпочтительным при разработке инверторов. В этомслучае требуемое число силовых полупроводниковых компонентов уменьшается на 50 %по сравнению с использованием IGBT и диодов в виде отдельных элементов.Перекрываемые области диапазонов токов, где использование дискретных приборовэкономически предпочтительнее по сравнению с сильноточными модулями, могут бытьрасширены за счёт параллельного соединения отдельных приборов.
Модуль,имеющий наибольший номинальный ток, содержит и наибольшую площадь кремниевогокристалла, которая используется при полной токовой загрузке модуля. В таком жемодуле с неполной токовой нагрузкой общая площадь кремния используетсячастично. Полностью загруженный по току модуль с номинальными параметрами 200А, 600 В с полумостовой схемой эквивалентен по содержанию кремния восьмидискретным приборам в корпусе ТО-247. Для сравнения такой модуль с частичнойзагрузкой в 50 А эквивалентен двум приборам в корпусе ТО-247. Так как стоимостьмодуля существенно зависит от количества содержащегося в нём кремния, полностьюзагруженный по току модуль имеет более низкую стоимость одного номинальногоампера по сравнению с частично загруженным, но стоимость 1 А номинального токаполностью загруженного по току модуля в 1,5 раза и более превышает аналогичныйпоказатель для эквивалентного числа дискретных компонентов.
Впротивовес преимуществу дискретных компонентов в стоимости компонентанеобходимо учитывать дополнительные расходы на монтаж, необходимость снижениязначений номинальных токов при их параллельном соединении и другие техническиефакторы, связанные с использованием определённого числа соединённых между собойдискретных компонентов.
Основноеразличие между дискретными приборами и сильноточными модулями заключается вспособе электрической связи их с другими элементами схемы. Дискретныекомпоненты соединяются с элементами схемы на печатной плате посредством пайки. Максимальноезначение токов в контактных соединениях печатной платы обычно не превосходит100 А в установившихся режимах работы. Это накладывает естественные ограниченияна число параллельно соединяемых компонентов. С другой стороны, сильноточныемодули имеют выводы под винтовые зажимы. Поэтому они могут соединяться скабельными наконечниками или непосредственно с токопроводящими шинами.Сильноточные модули также могут напрямую соединятся с печатной платой черезсквозные отверстия.
Параллельноесоединение дискретных компонентов связано с необходимостью равномерногораспределения между ними потерь мощности, по возможности наиболее точноговыравнивания значений температур полупроводниковых переходов соединяемыхдискретных приборов. Различие электрических характеристик отдельных приборовтребует создания для каждого из них определённого запаса по току нагрузки,составляющего примерно 20% максимально допустимого значения. Даже при созданиитакого запаса по току необходимо обеспечить хороший теплоотвод от каждогоприбора, чтобы обеспечить равенство температур полупроводниковых переходов.
Наличиеэлектрической изоляции создаёт в местах крепления приборов к охладителютепловые барьеры, ухудшающие равномерность распределения температур переходовотдельных приборов. По этой причине приборы в корпусах «Fullpak»(Int-A-Pak, Dual-Int-A-Pak, IMS, SOT, Co-Packs, ZIP, DIP, Flange-B и другие) сэлектрической изоляцией не идеальны для параллельного их соединения.Параллельно соединяемые приборы следует монтировать на общем охладителе. Еслиже требуется обеспечить электрическую изоляцию, то приборы следует смонтироватьна общей теплоотводящей пластине, обеспечивающей хорошую тепловую связь междупереходами приборов. Эта пластина также может использоваться в качестве конструктивногоэлемента, обеспечивающего механическое соединение приборов. электроизоляционныйбарьер в этом случае следует создавать между токоведущими частями параллельнойсборки приборов и основным охладителем.
Асимметрияв разводке электрических цепей, подключаемых к параллельно соединённымприборам, может привести к значительному различию в выделяемых в каждом из нихпотерях мощности. Наиболее сильно этот эффект проявляется на коммутационныхинтервалах работы приборов, что приводит к неравномерному распределениюдинамических потерь мощности. Наиболее существенно на распределение токов вдинамических режимах влияют индуктивности эмиттерных цепей, значения которых повозможности должны быть равными, чтобы исключить разбаланс динамических потерь.
Известно,что динамические потери уменьшаются со снижением значений рабочей частоты инапряжения. В этих случаях простые схемы соединения приборов безсимметрирования соединений могут стать вполне приемлемыми. Там, где содержаниединамических потерь превышает 15% общих потерь, необходимо уделять значительноевнимание разводке цепей, соединяющих дискретные приборы вследствиезначительного влияния симметричности цепей. Пример идеального симметричногорасположения цепей представлен на рис. 7. При таком расположении и соединенииприборов обеспечивается равенство индуктивностей эмиттерных цепей всехсоединённых приборов и тем самым обеспечивается выравнивание между нимидинамических потерь.
Рис.7. Симметричная разводка электрических цепей в параллельно соединяемых приборах(кольцевое соединение): 1 — охладитель; 2 — печатная плата; 3 — соединениеэмиттеров; 4 — соединение входов низкой стороны Основныеобласти применения и промышленное производство IGBT-модулей в России
Внастоящее время производство силовых IGBT-модулей освоено рядом российскихпредприятий электронной промышленности (АО «Электровыпрямитель», НПК«ИСЭ» и другие). Основными элементами в модулях являются IGBT-чипы,изготовленные по NPT (Non punch through) технологии. IGBT — транзисторы,изготовленные по этой технологии, обладают высокой du /dt стойкостью,практически прямоугольной областью безопасной работы, что обеспечивает надёжнуюработу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторыимеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, чтопозволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях.Особенностью российских модулей является низкое время спада тока привыключении, а также очень низкие и практически не зависящие от температурыостаточные токи. Это особенно важно при работе транзисторов на высокихчастотах.
Модуливыполняются по одно — (серия МДТКИ) и двухключевой (М2ТКИ) схемам, а также по схемепрерывателя тока (чоппера — серия МТКИД). Транзисторы шунтируются диодамиобратного тока, в качестве которых используются супербыстровосстанавливающиесядиоды с «мягким» восстановлением (FRD диоды).
IGBT-модулипервого конструктивного исполнения (ширина модуля 34 мм) рассчитаны на токи 25,50 и 75 А и предназначены для инверторов мощностью от 2 до 15 кВт. Модуливторого конструктивного исполнения (ширина модуля 62 мм) рассчитаны на токи100, 150 и 200 А и применяются в инверторах мощностью от 20 до 60 кВт. И самыемощные в этом ряду IGBT- модули третьего исполнения (ширина 62 мм) на токи 200, 320 и 400А могут применятся в инверторах мощностью от 60 до 200 кВт.
С1998 года на саранском предприятии «Электровыпрямитель»осуществляется выпуск мощных высоковольтных IGBT- модулей на ток до 1200 А инапряжение до 3300 В; проводится разработка мощного IGBT — транзисторатаблеточной конструкции с прижимными контактами, что позволит увеличить съёмтепла с элемента, ещё более повысить рабочий ток и напряжение транзистора.
IGBT-модули зарубежного производства на российском рынке электронных компонентовпредставлены в основном фирмами «Mitsubishi», «InternationalRectifier», «Hitachi» (см. рис. 9).
Распространяемыефирмами-посредниками приборы перекрывают диапазоны максимально допустимых токов(Ic) от 50 А до 1000 А и напряжений (UCE) от 250 В до 1700 В. Модули на токи до600 А реализуются с включённым в структуру драйвером, свыше 600 А- драйверпоставляется отдельно. Оптовые цены (июнь 2000 г.) на силовые модулисоставляют от 1,5 до 9,0 тыс. руб./шт. Партия изделий в среднем состоит из 10 иболее единиц (при изменении размера партии соотношение цен на продукциюменяется).
СовременныеIGBT-модули находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых иуправляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателейпостоянного и переменного тока средней мощности (см. рис.8), преобразователейиндукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания,бытовой и студийной техники.
Рис.8. Схема тягового привода системы ONIX 3000 на IGBT-транзисторах электровозаAM96 для системы электроснабжения 3 кВ
Особуюроль IGBT -модули играют в развитии железнодорожного транспорта. Применениеэтих перспективных приборов в тяговом преобразователе позволило повыситьчастоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку сетигармониками и обеспечить предельно низкие потери в обмотках трансформатора идросселей. На российском подвижном составе модули IGBT использовались впреобразователе собственных нужд (ПСН) электровоза ЭП-200, тяговомпреобразователе электропоездов " Cокол" и ЭД6.
Впервыетяговый преобразователь на транзисторах IGBT (четырёхквадрантные регуляторы,импульсные инверторы и тормозной регулятор) применён в Европе на серийномэлектропоезде переменного тока промышленной частоты Heathrow Express (HEX).
Рис.9. Схема включения IGBT- модуля типа MBN1200D33 фирмы HitachiЗаключение
Насегодняшний день IBGT как класс приборов силовой электроники занимает и будетзанимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт доединиц мегаватт. Дальнейшее развитие IGBT связано с требованиями рынка и будетидти по пути:
повышениядиапазона предельных коммутируемых токов и напряжений (единицы килоампер, 5-7кВ);
повышениябыстродействия;
повышениястойкости к перегрузкам и аварийным режимам;
сниженияпрямого падения напряжения;
разработкановых структур с плотностями токов, приближающихся к тиристорным;
развития«интеллектуальных» IGBT (с встроенными функциями диагностики и защит)и модулей на их основе;
созданияновых высоконадёжных корпусов, в том числе с использованием MMC (AlSiC) иприжимной конструкции;
повышениячастоты и снижение потерь SiC быстровосстанавливающихся обратных диодов;
примененияпрямого водяного охлаждения для исключения соединения основание — охладитель.