Транзисторы с изолированным затвором и биполярным режимом (IGBT): слияние точности полевого транзистора с мощностью биполярного

Транзисторы с изолированным затвором (IGFET) достигают практически бесконечного коэффициента усиления по току, потому что их затвор изолирован от канала. Непрерывный затворный ток не потребляется; нужен лишь кратковременный переходный процесс для заряда затворно-канальной емкости и смещения обедненной области при переключении между открытым и закрытым состояниями.

На первый взгляд, этот высокий коэффициент кажется дающим IGFET явное преимущество над биполярными транзисторами (BJT) при управлении очень большими токами. С BJT коллекторный ток связан с базовым током через коэффициент β (коэффициент усиления по току). Например, силовой BJT с β = 20 должен обеспечивать не менее 5 А базового тока для управления 100 А коллекторным током — существенный управляющий ток даже для миниатюрных дискретных или интегральных схем.

Транзистор с управляющей схемой

Использование дарлингтоновской пары может повысить коэффициент, но требуемый базовый ток остается выше, чем для эквивалентного IGFET. Добавленная сложность и потребление тока делают это решение менее привлекательным для высокомощных приложений.

Пример дарлингтоновской пары

IGFET также страдают от большего падения напряжения drain-source в полностью открытом состоянии по сравнению с падением collector-emitter у BJT. Это дополнительное падение напряжения переводится в более высокую рассеиваемую мощность при том же нагрузочном токе, ограничивая практичность IGFET как высокомощных устройств. Хотя специализированные структуры, такие как VMOS-транзисторы, были разработаны для снижения этого недостатка, BJT все еще лидируют при коммутации очень высоких токов.

На сцену выходит Транзистор с изолированным затвором и биполярным режимом (IGBT). Также известный как биполярный-режим MOSFET, модулируемый проводимостью полевой транзистор (COMFET) или просто изолированный-затворный транзистор (IGT), IGBT по сути объединяет высокий коэффициент усиления, логику управления затвором IGFET с низким падением напряжения, высокой токоносимостью BJT.

Графический символ и эквивалентная схема

В этой архитектуре IGFET управляет базой BJT. Заворот практически не потребляет ток от управляющей схемы, в то время как BJT обеспечивает основной нагрузочный ток между коллектором и эмиттером. Результат — экстремально высокий общий коэффициент усиления по току в сочетании с падением напряжения коллектор-эмиттер, соответствующим обычному BJT.

Однако IGBT не лишены компромиссов. Их время выключения обычно медленнее, чем у стандартного BJT, что может быть критично в быстрокоммутирующих приложениях. Достижение более быстрого выключения часто идет за счет более высокого насыщенного падения напряжения между коллектором и эмиттером. Тем не менее, для многих задач высокомощного управления комбинация низкого падения напряжения и высокого коэффициента усиления IGBT предлагает убедительную альтернативу как IGFET, так и BJT.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист: Транзисторы с изолированным затвором и биполярным режимом