Transistors IGBT
Les transistors bipolaires à grille isolée sont un nouveau type de dispositifs actifs apparus relativement récemment. Ses caractéristiques d'entrée sont similaires aux caractéristiques d'entrée d'un transistor à effet de champ et ses caractéristiques de sortie sont similaires aux caractéristiques de sortie d'un bipolaire.
Dans la littérature, ce dispositif est appelé IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)... En termes de vitesse, il est nettement supérieur transistors bipolaires... Le plus souvent, les transistors IGBT sont utilisés comme interrupteurs de puissance, où le temps d'activation est de 0,2 à 0,4 μs et le temps de désactivation est de 0,2 à 1,5 μs, les tensions commutées atteignent 3,5 kV et les courants sont de 1200 A .
Les transistors IGBT-T remplacent les thyristors des circuits de conversion haute tension et permettent de créer des alimentations secondaires pulsées avec des caractéristiques qualitativement meilleures. Les transistors IGBT-T sont largement utilisés dans les onduleurs pour contrôler les moteurs électriques, dans les systèmes d'alimentation continue à haute puissance avec des tensions supérieures à 1 kV et des courants de centaines d'ampères.Dans une certaine mesure, cela est dû au fait qu'à l'état passant à des courants de centaines d'ampères, la chute de tension aux bornes du transistor est de l'ordre de 1,5 à 3,5 V.
Comme le montre la structure du transistor IGBT (Fig. 1), il s'agit d'un dispositif assez complexe dans lequel un transistor pn-p est commandé par un transistor MOS à canal n.
Le collecteur du transistor IGBT (Fig. 2, a) est l'émetteur du transistor VT4. Lorsqu'une tension positive est appliquée sur la grille, le transistor VT1 a un canal électriquement conducteur. À travers lui, l'émetteur du transistor IGBT (le collecteur du transistor VT4) est connecté à la base du transistor VT4.
Cela conduit au fait qu'il est complètement déverrouillé et la chute de tension entre le collecteur du transistor IGBT et son émetteur devient égale à la chute de tension dans la jonction d'émetteur du transistor VT4, additionnée à la chute de tension Usi aux bornes du transistor VT1.
En raison du fait que la chute de tension dans la jonction p - n diminue avec l'augmentation de la température, la chute de tension dans un transistor IGBT déverrouillé dans une certaine plage de courant a un coefficient de température négatif, qui devient positif à courant élevé. Par conséquent, la chute de tension aux bornes de l'IGBT ne tombe pas en dessous de la tension de seuil de la diode (émetteur VT4).
Riz. 2. Circuit équivalent d'un transistor IGBT (a) et son symbole dans la littérature native (b) et étrangère (c)
Lorsque la tension appliquée au transistor IGBT augmente, le courant de canal augmente, ce qui détermine le courant de base du transistor VT4, tandis que la chute de tension aux bornes du transistor IGBT diminue.
Lorsque le transistor VT1 est verrouillé, le courant du transistor VT4 devient faible, ce qui permet de le considérer comme verrouillé. Des couches supplémentaires sont introduites pour désactiver les modes de fonctionnement typiques des thyristors lorsqu'une panne d'avalanche se produit. La couche tampon n + et la région de base large n– fournissent une réduction du gain en courant du transistor p — n — p.
Le tableau général de la mise sous tension et hors tension est assez complexe, car il y a des changements dans la mobilité des porteurs de charge, les coefficients de transfert de courant dans les transistors p — n — p et n — p — n présents dans la structure, des changements dans les résistances du régions, etc. Bien qu'en principe les transistors IGBT puissent être utilisés pour fonctionner en mode linéaire, alors qu'ils sont principalement utilisés en mode clé.
Dans ce cas, les variations des tensions de commutation sont caractérisées par les courbes représentées sur la Fig.
Riz. 3. Variation de la chute de tension Uke et du courant Ic du transistor IGBT
Riz. 4. Schéma équivalent d'un transistor de type IGBT (a) et de ses caractéristiques courant-tension (b)
Des études ont montré que pour la plupart des transistors IGBT, les temps d'activation et de désactivation ne dépassent pas 0,5 à 1,0 μs. Pour réduire le nombre de composants externes supplémentaires, des diodes sont introduites dans les transistors IGBT ou des modules composés de plusieurs composants sont produits (Fig. 5, a - d).
Riz. 5. Symboles des modules de transistors IGBT : a — MTKID ; b-MTKI ; c-M2TKI ; d — MDTKI
Les symboles des transistors IGBT comprennent : lettre M — module sans potentiel (la base est isolée) ; 2 — le nombre de clés ; lettres TCI — bipolaire avec couvercle isolant ; DTKI — Diode/transistor bipolaire avec grille isolée ; TCID — Transistor bipolaire / Diode à grille isolée ; nombres : 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — courant maximal ; nombres : 1, 2, 5, 6, 10, 12 — la tension maximale entre le collecteur et l'émetteur Uke (* 100 V). Par exemple, le module MTKID-75-17 a UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Docteur en sciences techniques, professeur L.A. Potapov