Транзистор «от шефа»: особенности IGBT компании STMicroelectronics

В начале 1980-х годов была создана полупроводниковая технология, объединяющая преимущества высокого входного сопротивления МОП-транзисторов и низкого сопротивления и малого времени переключения биполярных транзисторов. Выпускаемые по этой технологии приборы получили название «биполярный транзистор с изолированным затвором» (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT). Транзисторы быстро заняли достойное место на рынке приложений, для которых требовалось большой рабочий ток (десятки Ампер), высокое рабочее напряжение (400 В и более) и высокая частота переключения (более 100 кГц). Основными производителями IGBT-транзисторов являются компании IR, Fairschild, Infineon и ST.

В данной статье будут рассмотрены принципы работы IGBT-транзисторов, IGBT транзисторы компании ST и интеллектуальные силовые модули компании ST, основанные на IGBT-транзисторах.

Что такое IGBT-транзисторы?

Биполярные транзисторы с изолированным затвором - это приборы на неосновных носителях заряда с высоким входным импедансом, характерным для полевых транзисторов, и большим допустимым током в открытом состоянии, характерным для биполярных транзисторов. Большинство разработчиков рассматривают IGBT как приборы с входными характеристиками МОП-транзисторов и выходными характеристиками биполярных транзисторов, которые объединены в управляемый напряжением биполярный транзистор. Транзисторы со структурой IGBT были созданы, чтобы использовать преимущества силовых MOSFET и биполярных транзисторов. В результате появились приборы с функциональной интеграцией силовых MOSFET и биполярных транзисторов в монолитном виде. IGBT соединяют в себе лучшие качества обоих типов.

IGBT можно использовать во многих приложениях силовой электроники, особенно в драйверах систем управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для сервомоторов и трехфазных асинхронных двигателей, для которых требуется большой динамический диапазон управления и малый уровень электромагнитных помех. Кроме того, IGBT можно использовать в источниках бесперебойного питания (ИБП, UPS), импульсных источниках питания (SMPS), и других силовых схемах, для которых требуется высокая частота переключения. IGBT позволяют улучшить динамическую производительность и эффективность, и уменьшают уровень электромагнитных излучений. Они великолепно подходят для схем конвертеров, работающих в резонансном режиме.

Доступны IGBT, оптимизированные как для низких значений потерь, связанных с конечной проводимостью, так и для низких значений потерь, связанных с зарядом переключения.

IGBT, по сравнению с силовыми MOSFET и биполярными транзисторами имеют следующие основные преимущества:

1. В открытом состоянии из-за модуляции проводимости они имеют очень маленькое падение напряжения и чрезвычайно большую допустимую плотность. Возможность изготовления транзисторов в миниатюрных корпусах значительно снижает их стоимость.

2. Малая мощность управления и простая схема управления за счет МОП-структуры входного каскада. Обеспечивают возможность более простого управления, чем для приборов с токовым управлением (тиристор, биполярный транзистор) в высоковольтных и высокочастотных приложениях.

3. Широкая область надежной работы (SOA). Приборы имеют большую возможность проводить ток по сравнению с биполярными транзисторами. Кроме того, транзисторы хорошо проводят ток в прямом направлении и практически не проводят в обратном.

Основные недостатки IGBT:

1. Скорость переключения ниже, чем у силовых MOSFET и выше, чем у биполярных транзисторов. При закрывании транзистора ток коллектора имеет хвост за счет небольшой проводимости, вызванной малой скоростью закрывания.

2. Возможность «защелкивания» из-за внутренней тиристороподобной PNPN-структуры.

IGBT-структура пригодна для повышения значения запирающего напряжения (напряжение отсечки). В случае силовых MOSFET с увеличением напряжения отсечки резко растет сопротивление канала транзистора в открытом состоянии из-за увеличения удельного сопротивления и ширины области дрейфа носителей заряда, необходимой для поддержания высокого рабочего напряжения. По этим причинам обычно избегают разрабатывать силовые MOSFET, рассчитанные на большой допустимый ток, с высоким значением запирающего напряжения. Напротив, для IGBT удельное сопротивление области дрейфа носителей заряда существенно уменьшается за счет высокой концентрации инжектированных носителей заряда вызванных протеканием тока в открытом состоянии. Прямое падение напряжения на области дрейфа начинает зависеть от ее толщины и не зависеть от начального удельного сопротивления.

Устройство IGBT транзистора

Транзисторы IGBT объединяют преимущества силовых MOSFET и биполярных транзисторов. Упрощенно можно считать, что структура IGBT является комбинацией двух приборов. Как показано на рисунке 1, на входе IGBT имеется структура MOS-затвора, а на выходе - структура PNP-транзистора с широкой базой.

Управляющий базовый ток для PNP-транзистора поступает из канала входного MOSFET. Кроме PNP-транзистора, имеется еще и NPN-транзистор, который предназначен для деактивации короткого замыкания между базой и эмиттером за счет слоя металла, образующего исток MOSFET. Четырехслойная структура PNPN, получающаяся от комбинации PNP и NPN транзистора формирует структуру тиристора, которая приводит к возможности «защелкивания». В отличие от мощного MOSFET-транзистора, IGBT не имеет интегрального обратно смещенного диода, который в MOSFET-транзисторах существует паразитно, и поэтому в случае необходимости в IGBT в транзистор вводится быстрый диод.

Технологии PT и NPT изготовления IGBT-транзисторов

IGBT называется PT (punch-through) или асимметричным, если имеется N+ буферный слой между P+ подложкой и N- областью дрейфа. В противном случае, он называется NPT (non-punchthrough) или асимметричным IGBT. N+ буферный слой увеличивает скорость выключения транзистора путем уменьшения инжекции неосновных носителей заряда и увеличения скорости рекомбинации при переключении транзистора. Кроме того, вероятность «защелкивания» также уменьшается за счет уменьшения коэффициента усиления по току PNP-транзистора. Основная проблема состоит в том, что увеличивается падение напряжения на открытом транзисторе. Однако толщину дрейфовой области N- можно уменьшить путем подачи напряжения прямого смещения. В результате уменьшится падение напряжения на открытом транзисторе. Следовательно, PT-IGBT имеют более удачные характеристики по сравнению с NPT-IGBT в отношении скорости переключения и прямого падения напряжения. В настоящее время большинство серийных IGBT выпускается по PT-IGBT технологии. Возможности прямого и обратного запирания IGBT приблизительно равны, поскольку определяются толщиной и удельным сопротивлением одного и того же дрейфового слоя N-. Обратное напряжение для PT-IGBT транзистора, который содержит буферный слой N+ между подложкой P+ и областью дрейфа N-, уменьшается до десятков вольт из-за наличия высоколегированных областей с обеих сторон зоны J1.

Ряд IGBT, изготавливающихся без буферного слоя N+, называются NPT (non-punch through) IGBT, в то время как транзисторы, у которых присутствует данный слой, называются PT (punch-through) IGBT. При правильном выборе степени легирования и толщины буферного слоя, его присутствие может значительно увеличить производительность транзисторов. Несмотря на физическое сходство, работа IGBT больше напоминает работу мощного биполярного транзистора, чем мощного MOSFET. Это происходит из-за того, что слой подложки P+ (инжекционный слой) отвечает за инжекцию неосновных носителей заряда в область дрейфа N-, что приводит к модуляции удельного сопротивления.

Технологически транзистор IGBT получают из транзистора MOSFET путем добавления еще одного биполярного транзистора структуры PNP. Эквивалентная крутизна IGBT значительно превышает крутизну MOSFET, и ее значением можно управлять на этапе изготовления IGBT. Еще одним достоинством IGBT является значительное снижение (по сравнению с MOSFET) последовательного сопротивления силовой цепи в открытом состоянии. Благодаря этому снижаются тепловые потери на открытом транзисторе.

По результатам исследований было выяснено, что у IGBT отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для обычных биполярных транзисторов. Быстродействие IGBT ниже, чем у MOSFET, но выше, чем у биполярных транзисторов, поэтому их используют на частотах порядка 100 кГц. Ограничение скорости переключения IGBT кроется в конечном времени жизни неосновных носителей в базе PNP-транзистора. Накопленный в базе PNP-транзистора заряд вызывает характерный «хвост» тока при закрывании IGBT. Причина этого заключается в том, что как только имеющийся в составе IGBT-транзистора MOSFET закрывается, в силовой цепи начинается рекомбинация неосновных носителей заряда, которая предшествует возникновению «хвоста». Этот «хвост» служит причиной основных тепловых потерь и требует введения так называемого «мертвого времени» в схемах управления мостовыми и полумостовыми инверторами. Поскольку база PNP-транзистора сделана недоступной извне, то меры по уменьшению «хвоста» можно принять только на этапе изготовления транзистора. На рисунке 2 показана упрощенная схема полумостового инвертора.

Рис. 2. Упрощенная схема полумостового инвертора

IGBT-транзисторы компании ST

Все выпускаемые компанией ST IGBT транзисторы можно разделить на три основные категории:

1. IGBT с рабочим напряжением 400 В для силовых инверторов,

2. IGBT с рабочим напряжением 600 В для мостовых и полумостовых драйверов управления электродвигателями в стационарных устройствах,

3. IGBT с рабочим напряжением 900...1300 В для силовых модулей и систем управления электродвигателями электромобилей.

Наиболее массовой является категория транзисторов с рабочим напряжением 600 В.

В таблицах 1, 2, 3 показаны характеристики некоторых IGBT каждой из указанных категорий.

Интеллектуальные силовые
модули (IPM) на базе IGBT-семейства SLLIMM от ST

Семейство SLLIMM интеллектуальных силовых модулей создано для удовлетворения требований широкого класса конечных приложений в диапазоне мощностей от 300 Вт до 2,0 кВт, таких как:

• Стиральные машины
• Посудомоечные машины
• Холодильники
• Драйверы компрессоров кондиционеров воздуха
• Швейные машины
• Насосы
• Электроинструменты
• Промышленные устройства управления малой мощности

Интеллектуальные силовые модули (IPM) на базе IGBT расширяют диапазон продуктов компании ST для силовых приложений. Это - решения с превосходными тепловыми характеристиками, которые упрощают разработку, объединяя специфичные для приложений IGBT и диоды, запатентованные функции управления, интеллектуальную защиту и множество дополнительных функций.

Модули IPM допускают непосредственное подключение к микроконтроллерам, преобразуя выходные сигналы микроконтроллера в мощные высоковольтные сигналы необходимой для управления электродвигателями формы. Один модуль способен заменить более 30 дискретных компонентов, значительно повышая надежность и уменьшая размер и стоимость изделий. На рисунке 3 показаны преимущества замещения дискретных компонентов интеллектуальным модулем.

Рис. 3. Преимущества замещения дискретных компонентов интеллектуальным модулем

В состав каждого интеллектуального модуля входят следующие узлы и компоненты:

• Трехфазный IGBT мостовой инвертор, включающий:
• Шесть IGBT с малыми потерями и схемами защиты от коротких замыканий,
• Шесть диодов свободного хода (freewheeling) с малым падением напряжения и плавным восстановлением;
• Три ИС управления для управления и защиты ключей, включая:
• Функцию интеллектуального отключения,
• Компаратор для защиты от превышения током предельно допустимого значения при коротком замыкании,
• Операционный усилитель для увеличения чувствительности датчика тока,
• Три интегрированных ограничительных диода,
• Функцию взаимного отключения,
• Блокировку при перегрузках по напряжению;
• Терморезисторы с отрицательным ТКС (NTC) для наблюдения за температурой;
• Конфигурация с открытым эмиттером для установки индивидуального для каждой фазы датчика тока;
• Полностью изолированный корпус, выполненный по технологии DBC с повышенной теплоотдачей;
• Номинальное напряжение изоляции 2500В с.к.з.;
• Некоторые пассивные компоненты для оптимизации скорости переключения IGBT транзисторов;
• Схемы смещения для драйверов ключей верхнего плеча и фильтрации помех.

Модули IPM компании ST используют корпуса, выполненные по технологии DBC (direct-bond copper) - прямой металлизации медью, и процессы вакуумной сварки, что гарантирует лучший отвод тепла и меньшее электрическое сопротивление и позволяет получать большие удельные мощности и увеличивать надежность систем.

Ключевые особенности и преимущества IPM

• 600 В, трехфазный мостовой инвертор на базе IGBT, включая ИС управления ключами и диоды свободного хода
• Защита IGBT от короткого замыкания
• Полностью изолированный корпус, выполненный по технологии DBC с повышенной теплоотдачей
• Функция интеллектуального отключения
• Компаратор для защиты от превышения током предельно допустимого значения при коротком замыкании
• Операционный усилитель для увеличения чувствительности датчика тока
• Встроенные ограничительные диоды
• Малый форм-фактор

• Удобство управления от микроконтроллера
• Высокая эффективность и надежность
• Очень низкое тепловое сопротивление Rth
• Уменьшенное количество компонентов
• Оптимизированная топология печатной платы
• Уменьшение размера печатной платы (компактная конструкция)
• Малая интенсивность отказов
• Простота реализации алгоритма управления по полю (FOC) без использования дополнительных датчиков

В таблице 4 представлены основные характеристики IPM компании ST.

Оценочные платы от ST

Компания ST выпускает ряд оценочных плат на базе IGBT и интеллектуальных модулей на их основе. В таблице 5 приведены основные отличительные особенности этих плат.

Наименование	Особенности	Внешний вид
STEVAL-IHM025V1	1 x IGBT SLLIMM STGIPL14K60 1 преобразователь, основанный на Viper16 1 xIGBT STGP10NC60KD
STEVAL-IHM027V1	1 x IGBT SLLIMM STGIPS10K60A 1 преобразователь, основанный на Viper16 1 xIGBT STGP10NC60KD
STEVAL-IHM028V1	1 x IGBT SLLIMM STGIPS20K60 1 x ШИМ SMPS VIPer26LD 1 x IGBT STGW35NB60SD
STEVAL-IHM021V1	3 интеллектуальных драйвера с ШИМ L6390 6 мощных переключательных MOSFET-транзисторов STD5N52U
STEVAL-IHM023V1	3 интеллектуальных драйвера с ШИМ L6390 7 мощных переключательных IGBT STGP10NC60KD
STEVAL-IHM024V1	3 интеллектуальных драйвера с ШИМ L6390 6 мощных переключательных IGBT STGDL35NC60DI

Универсальная оценочная плата STEVAL-IHM028V1 разработана на базе интеллектуального модуля трехфазного мостового инвертора STGIPS20K60 компании ST с рабочим напряжением 600 В и рабочим током 20 А. Модуль имеет встроенные компараторы для аппаратной защиты (такой как защита от перегрузок по току и защита от перегрева).

Оценочная плата STEVAL-IHM028V1 имеет следующие отличительные особенности:

• Законченное решение для силового инвертора мощностью 2 кВт,
• Подключение к однофазной силовой сети с напряжением 90...285 В переменного тока или к источнику постоянного тока с напряжением до +400 В,
• Входной удвоитель напряжения для подключения к низковольтной силовой сети переменного тока,
• Ограничитель входного пускового тока с проходным реле,
• Устройство активного торможения с компаратором перегрузки по напряжению;
• Измерение тока как с тремя, так и с одним датчиком тока;
• Возможность подключения датчиков Холла или энкодера,
• Вход тахометра,
• Аппаратная защита от перегрева и перегрузок по току,
• Активное воздушное охлаждение с автоматическим переключением при повышении температуры,
• Компактная и безопасная конструкция,
• Универсальная платформа для проведения последующих экспериментов.

MOSFET-транзисторы от компании ST

Кроме IGBT, компания ST выпускает также MOSFET-транзисторы, параметры наиболее выдающихся из которых приведены в таблице 6.

Особого внимания также заслуживают высоковольтные силовые MOSFET-транзисторы: n-канальные с рабочим напряжением до +1500 В и p-канальные с рабочим напряжением до -500 В. Основные параметры транзисторов представлены в таблице 7.

Литература

1. ST. AN1491. IGBT BASICS. http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00004307.pdf

2. ST. 600 V SiC diodes. http://www.st.com/internet/com/SALES_AND_MARKETING_RESOURCES/MARKETING_COMMUNICATION/FLYER/fl600vsi.pdf

3. http://www.st.com/internet/com/SALES_AND_MARKETING_RESOURCES/MARKETING_COMMUNICATION/FLYER/fligbtinte0710.pdf

4. http://www.st.com/internet/com/SALES_AND_MARKETING_RESOURCES/MARKETING_PRESENTATIONS/PRODUCT_PRESENTATION/stforsolarenergy_marketing_pres.pdf

5. http://www.st.com/internet/analog/class/826.jsp

6. http://www.st.com/internet/com/SALES_AND_MARKETING_RESOURCES/MARKETING_PRESENTATIONS/PRODUCT_PRESENTATION/steval_ihm028v1_marketing_pres.pdf.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]