Az Insulated Gate bipoláris tranzisztor (IGBT, eng. Insulated-gate bipoláris tranzisztor , IGBT ) egy háromelektródos teljesítmény- félvezető eszköz , amely két tranzisztort egyesít egy félvezető szerkezetben: bipoláris (teljesítménycsatornát képez) és mező (vezérlőcsatornát képez) [ 1] . Főleg erős elektronikus kulcsként használják kapcsolóüzemű tápegységekben , inverterekben , elektromos hajtásvezérlő rendszerekben .
A kétféle tranzisztor kaszkádolása lehetővé teszi előnyeik kombinálását egy eszközben: a bipoláris kimeneti jellemzői (nagy megengedett üzemi feszültség és nyitott csatorna ellenállása, arányos az árammal, és nem az áram négyzete, mint a mezőben ) és a mező bemeneti jellemzői (minimális ellenőrzési költségek). A vezérlőelektródát a térhatású tranzisztorhoz hasonlóan kapunak, a másik két elektródát emitternek és kollektornak nevezzük, hasonlóan a bipolárishoz [2] [3] .
Mind az egyedi IGBT-k, mind az ezekre épülő teljesítményegységek (modulok) készülnek például háromfázisú áramkörök vezérlésére.
Az 1990 -es évekig a bipoláris tranzisztorokat teljesítmény-félvezetőként használták a tirisztorok mellett . Hatékonyságukat számos hátrány korlátozza:
A MOS technológiával készült térhatású tranzisztorok ( pl. MOSFET ) megjelenésével a helyzet megváltozott. A bipoláris, térhatású tranzisztorokkal ellentétben:
A MOSFET-ek egyszerűen vezérelhetők, akárcsak az IGBT-k esetében, és beépített szivárgásdiódával rendelkeznek a véletlen áramlökések korlátozására. Ezeknek a tranzisztoroknak tipikus alkalmazásai a nagy működési frekvenciájú kapcsolófeszültség- átalakítók , audioerősítők (az úgynevezett D osztály ).
Az első nagy teljesítményű térhatású tranzisztorokat a Szovjetunióban a Pulsar Research Institute -ban (fejlesztő - V. V. Bachurin) hozták létre 1973-ban, kulcsfontosságú tulajdonságaikat pedig az MPEI szmolenszki ágában tanulmányozták (felügyelő - V. P. Dyakonov ) [4] . E munkák részeként 1977-ben egy kompozit tranzisztort javasoltak, amelyben egy erős bipoláris tranzisztort szigetelt kapu térhatású tranzisztor vezérel. Megmutattam, hogy a kompozit szerkezetek kimenő áramait és feszültségeit bipoláris tranzisztor, míg a bemeneti áramokat térhatású tranzisztor határozza meg. Ugyanakkor a kompozit tranzisztoron alapuló kulcsban lévő bipoláris tranzisztor nem telített, ami élesen csökkenti a kikapcsolási késleltetést [5] , és meghatározza az ilyen eszközök előnyeit, mint a tápkapcsolók [6] . A "pobistor" nevű félvezető eszköz megkapta a Szovjetunió 757051. számú szerzői bizonyítványát. Egyetlen szerkezet formájában készült, amely erős bipoláris tranzisztort tartalmaz, amelynek felületén egy térhatású tranzisztor található V-alakú szigetelt kapuval. létrejön [7]
Az IGBT első ipari formatervezését az International Rectifier szabadalmaztatta 1983-ban. Később, 1985-ben az IGBT-ket teljesen lapos szerkezettel (nincs V-csatorna) és magasabb üzemi feszültséggel fejlesztették ki. Ez szinte egyszerre történt a General Electric ( Schenectady , New York) és az RCA ( Princeton , New Jersey) laboratóriumában. Kezdetben az eszközt COMFET-nek, GEMFET-nek vagy IGFET-nek hívták. Az 1990-es években felvették az IGBT nevet. Az első IGBT-k nem váltak népszerűvé a születési rendellenességek miatt - lassú váltás és alacsony megbízhatóság. Az IGBT-k második (1990-es évek) és harmadik (modern) generációja általában megszabadult ezektől a bűnöktől.
Az IGBT a tranzisztorok két fő típusának előnyeit egyesíti:
A felhasználási tartomány tíz és 1200 amper közötti áramerősség, több száz volttól 10 kV feszültségig terjed. A több tíz amperig terjedő áramerősség és az 500 V -ig terjedő feszültség tartományában ajánlatos hagyományos MOS - (MIS-) tranzisztorokat használni, nem IGBT-ket, mivel a térhatású tranzisztorok alacsony feszültségen kisebb ellenállással rendelkeznek.
Az IGBT-k fő alkalmazása az inverterek , kapcsolóáram-szabályozók, frekvenciaváltók .
Az IGBT-ket széles körben használják hegesztőáramforrásokban, nagy teljesítményű elektromos hajtás vezérlésében, beleértve a városi elektromos közlekedést is.
Az IGBT modulok használata a vontatási motorvezérlő rendszerekben lehetővé teszi (a tirisztoros eszközökhöz képest) a nagy hatékonyságot , a gép nagy simaságát és a regeneratív fékezés lehetőségét szinte bármilyen sebességnél.
Az IGBT-ket nagyfeszültségű (több mint 1000 V ), magas hőmérsékleten (több mint 100 °C) és nagy kimeneti teljesítménnyel (több mint 5 kW ) történő munkavégzés során használják. Az IGB tranzisztorokat motorvezérlő áramkörökben ( 20 kHz -nél kisebb üzemi frekvencián ), szünetmentes tápegységekben (állandó terheléssel és alacsony frekvenciával) és hegesztőgépekben (ahol nagy áramerősségre és alacsony frekvenciára van szükség - 50 kHz -ig ) használják.
Az IGBT-k és a MOSFET-ek a közepes teljesítmény- és frekvenciatartományt foglalják el, részben "átfedve" egymást. Általában a MOS a legalkalmasabb a nagyfrekvenciás kisfeszültségű fokozatokhoz, az IGBT-k pedig a nagyfeszültségű teljesítményfokozatokhoz.
Egyes esetekben az IGBT-k és a MOSFET-ek teljesen felcserélhetők, a két eszköz eszközkimeneti és vezérlőjel-karakterisztikája általában megegyezik. Az IGBT-k és MOSFET-ek 12-15 V-ot igényelnek a teljes bekapcsoláshoz, és nincs szükség negatív feszültségre a kikapcsoláshoz, mint egy kapuzott tirisztornál . De a "feszültségvezérelt" nem azt jelenti, hogy az IGBT kapcsolásakor nincs áram a kapu áramkörében. A vezérlőáramkör IGBT (valamint egy MOS tranzisztor) kapuja egy nanofarad egységnyi kapacitású kondenzátor (erőteljes eszközökhöz), amely meghatározza a kapuáram impulzus jellegét. A kapumeghajtónak képesnek kell lennie arra, hogy ezt a kapacitást gyorsan feltöltse és kisüthesse, hogy biztosítsa a tranzisztor gyors átkapcsolását.