transistores IGBT
Os transistores bipolares com porta isolada são um novo tipo de dispositivo ativo que apareceu há relativamente pouco tempo. Suas características de entrada são semelhantes às características de entrada de um transistor de efeito de campo e suas características de saída são semelhantes às características de saída de um bipolar.
Na literatura, esse dispositivo é chamado de IGBT (transistor bipolar de porta isolada)... Em termos de velocidade, é significativamente superior transistores bipolares... Na maioria das vezes, os transistores IGBT são usados como interruptores de energia, onde o tempo de ativação é de 0,2 a 0,4 μs e o tempo de desligamento é de 0,2 a 1,5 μs, as tensões comutadas atingem 3,5 kV e as correntes são 1200 A .
Os transistores IGBT-T substituem os tiristores dos circuitos de conversão de alta tensão e possibilitam a criação de fontes de alimentação secundárias pulsadas com características qualitativamente melhores. Os transistores IGBT-T são amplamente utilizados em inversores para controle de motores elétricos, em sistemas de potência contínua de alta potência com tensões acima de 1 kV e correntes de centenas de ampères.Até certo ponto, isso se deve ao fato de que no estado ligado em correntes de centenas de amperes, a queda de tensão no transistor está na faixa de 1,5 a 3,5 V.
Como pode ser visto na estrutura do transistor IGBT (Fig. 1), é um dispositivo bastante complexo no qual um transistor pn-p é controlado por um transistor MOS de canal n.
O coletor do transistor IGBT (Fig. 2, a) é o emissor do transistor VT4. Quando uma tensão positiva é aplicada ao portão, o transistor VT1 tem um canal eletricamente condutor. Através dele, o emissor do transistor IGBT (o coletor do transistor VT4) é conectado à base do transistor VT4.
Isso leva ao fato de que ele está completamente desbloqueado e a queda de tensão entre o coletor do transistor IGBT e seu emissor torna-se igual à queda de tensão na junção do emissor do transistor VT4, somada à queda de tensão Usi no transistor VT1.
Devido ao fato de que a queda de tensão na junção p - n diminui com o aumento da temperatura, a queda de tensão em um transistor IGBT desbloqueado em uma determinada faixa de corrente tem um coeficiente de temperatura negativo, que se torna positivo em alta corrente. Portanto, a queda de tensão no IGBT não cai abaixo da tensão limite do diodo (emissor VT4).
Arroz. 2. Circuito equivalente de um transistor IGBT (a) e seu símbolo na literatura nativa (b) e estrangeira (c)
À medida que a tensão aplicada ao transistor IGBT aumenta, a corrente do canal aumenta, o que determina a corrente de base do transistor VT4, enquanto a queda de tensão no transistor IGBT diminui.
Quando o transistor VT1 está bloqueado, a corrente do transistor VT4 torna-se pequena, o que permite considerá-lo bloqueado. Camadas adicionais são introduzidas para desabilitar os modos de operação típicos do tiristor quando ocorre uma avalanche. A camada de buffer n + e a ampla região de base n– fornecem uma redução no ganho de corrente do transistor p — n — p.
O quadro geral de ligar e desligar é bastante complexo, pois há mudanças na mobilidade dos portadores de carga, coeficientes de transferência de corrente nos transistores p — n — p e n — p — n presentes na estrutura, mudanças nas resistências dos regiões, etc. Embora, em princípio, os transistores IGBT possam ser usados para operar no modo linear, eles são usados principalmente no modo chave.
Neste caso, as mudanças nas tensões de comutação são caracterizadas pelas curvas mostradas na Fig.
Arroz. 3. Mudança na queda de tensão Uke e corrente Ic do transistor IGBT
Arroz. 4. Diagrama equivalente de um transistor do tipo IGBT (a) e suas características de corrente-tensão (b)
Estudos mostraram que, para a maioria dos transistores IGBT, os tempos de ativação e desativação não excedem 0,5 a 1,0 μs. Para reduzir o número de componentes externos adicionais, os diodos são introduzidos nos transistores IGBT ou são produzidos módulos compostos por vários componentes (Fig. 5, a - d).
Arroz. 5. Símbolos dos módulos dos transistores IGBT: a — MTKID; b — MTKI; c — M2TKI; d - MDTKI
Os símbolos dos transistores IGBT incluem: letra M — módulo livre de potencial (a base é isolada); 2 — o número de chaves; letras TCI — bipolar com tampa isolada; DTKI — Diodo / Transistor Bipolar com Porta Isolada; TCID — Transistor Bipolar / Diodo de Porta Isolado; números: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — corrente máxima; números: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — a tensão máxima entre o coletor e o emissor Uke (* 100V). Por exemplo, o módulo MTKID-75-17 possui UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Doutor em ciências técnicas, professor L.A. Potapov