Transistors bipolaires à grille isolée (IGBT ou IGBT). Schéma, description

ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE
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Dispositifs à semi-conducteurs de puissance. Transistors bipolaires à grille isolée (IGBT ou IGBT). Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique

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Transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) (Abréviation anglaise IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) sont des dispositifs semi-conducteurs qui ont un transistor à effet de champ en entrée et un transistor bipolaire en sortie.

Une de ces combinaisons est représentée sur la Fig. 7.4. Le dispositif est introduit dans le circuit de puissance par les bornes du transistor bipolaire E (émetteur) et C (collecteur), et dans le circuit de commande par la borne G (grille).

Ainsi, IGBT a trois terminaux extérieurs: émetteur, collecteur, porte. Les connexions émetteur et drain (D) et base et source (S) sont internes. La combinaison de deux dispositifs dans une seule structure a permis de combiner les avantages des transistors à effet de champ et bipolaires : résistance d'entrée élevée avec une charge de courant élevée et faible résistance à l'état passant.

Transistors bipolaires à grille isolée (IGBT ou IGBT)
Riz. 7.4. L'une des options est la charge de courant et la faible résistance dans la structure de l'IGBT à l'état passant.

Structure IGBT

Une coupe schématique de la structure de l'IGBT est présentée sur la figure. 7.5. Le transistor bipolaire (Fig. 7.5, a) est formé de couches p+ (émetteur), n (base), p (collecteur) ; champ - couches n (source), n+ (drain) et une plaque métallique (porte). Les couches p+ et p ont des broches externes incluses dans le circuit d'alimentation. Le portail a une borne connectée au circuit de commande.

Sur la fig. 7.5, b est montré Structure IGBT de XNUMXème génération, réalisé à l'aide de la technologie trench-gate, qui élimine la résistance entre les bases p et réduit plusieurs fois la taille de l'appareil.

Transistors bipolaires à grille isolée (IGBT ou IGBT)
Riz. 7.5. Structures IGBT : a - structure d'un transistor standard ; b- structure d'un transistor créé grâce à la technologie des portes de tranchée

Principe de fonctionnement et fonctionnalités

Processus d'inclusion L'IGBT peut être divisé en deux étapes :

étape 1 - après application d'une tension positive entre la grille et la source, le transistor à effet de champ s'ouvre (un canal n est formé entre la source et le drain) ;
étape 2 - le mouvement des charges de la région n vers la région p conduit à l'ouverture du transistor bipolaire et à l'émergence du courant de l'émetteur vers le collecteur.

Ainsi, le transistor à effet de champ commande le fonctionnement d'un bipolaire. Pour les IGBT avec une tension nominale comprise entre 600 et 1200 1,5 V à l'état complètement passant, la chute de tension directe, ainsi que pour les transistors bipolaires, est comprise entre 3,5 et XNUMX V.

C'est nettement inférieur à la chute de tension typique entre les MOSFET de puissance dans un état conducteur aux mêmes tensions nominales.

D'un autre côté, les MOSFET avec des tensions nominales de 200 V ou moins ont des tensions à l'état passant inférieures à celles des IGBT et restent inégalés à cet égard aux faibles tensions de fonctionnement et aux courants de commutation allant jusqu'à 50 A.

En termes de performances, les IGBT sont inférieurs aux MOSFET, mais nettement supérieurs aux bipolaires. Typique valeurs de temps de résorption la charge accumulée et la chute de courant lorsque l'IGBT est éteint sont respectivement comprises entre 0,2 et 0,4 et 0,2 et 1,5 μs.

Zone de travail sécurisée L'IGBT permet d'assurer avec succès son fonctionnement fiable sans utiliser de circuits supplémentaires pour former le chemin de commutation à des fréquences de 10 à 20 kHz pour des modules avec des courants nominaux de plusieurs centaines d'ampères. Les transistors bipolaires connectés selon un circuit Darlington n'ont pas de telles qualités.

Tout comme les MOSFET discrets ont remplacé les MOSFET bipolaires dans les alimentations à découpage jusqu'à 500 V, les IGBT discrets font de même dans les alimentations à tension plus élevée (jusqu'à 3500 XNUMX V).

Modules IGBT

Module IGBT selon le schéma de câblage interne peut représenter :

IGBT unique ;
module double (demi-pont), où deux IGBT sont connectés en série (demi-pont) ;
un hacheur, dans lequel un seul IGBT est connecté en série avec une diode ;
pont monophasé ou triphasé.

Transistors bipolaires à grille isolée (IGBT ou IGBT)
Riz. 7.6. Schémas des modules IGBT : a - IGBT unique ; b - module double ; c - disjoncteur collecteur (hachoir) ; g - hacheur d'émetteur (hachoir)

Dans tous les cas, à l'exception du hacheur, le module contient une diode de roue libre intégrée en parallèle avec chaque IGBT. Les schémas de connexion les plus courants pour les modules IGBT sont présentés sur la Fig. 7.6.

Les principales différences entre les éléments individuels et les modules

La principale différence entre les dispositifs discrets et les modules à courant élevé réside dans la manière dont ils sont connectés électriquement aux autres éléments du circuit. Les composants discrets sont connectés aux éléments de circuit sur une carte de circuit imprimé par soudure.

La valeur maximale des courants dans les connexions de contact d'une carte de circuit imprimé ne dépasse généralement pas 100 A dans des conditions de fonctionnement stables. Cela impose des restrictions naturelles sur le nombre de composants connectés en parallèle. D'autre part, les modules à courant élevé disposent de bornes pour bornes à vis. Ils peuvent donc être connectés aux cosses de câbles ou directement aux jeux de barres. Les modules à courant élevé peuvent également être directement connectés au PCB via des trous traversants.

Les modules sont disponibles en trois versions:

selon un schéma à clé unique (série MDTKI);
selon le schéma à deux clés (M2TKI);
selon le schéma d'un interrupteur de courant, hacheur (série MTKID).

Les transistors sont contournés par des diodes à courant inverse, qui sont des diodes à récupération ultra-rapide à récupération « douce » (diodes FRD).

Auteur : Koryakin-Chernyak S.L.

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