- •Электроника и микросхемотехника Курс лекций
- •Введение
- •1. Полупроводниковые диоды
- •1.1. Принцип работы диода
- •1.2. Вольт-амперная характеристика диода
- •1.3. Выпрямительные диоды
- •1.4. Высокочастотные диоды
- •1.5. Импульсные диоды
- •1.6. Стабилитроны и стабисторы
- •2. Биполярные транзисторы
- •2.1. Общие принципы
- •2.2. Основные параметры транзистора
- •2.3. Схемы включения транзисторов
- •2.3.1. Схема с общим эмиттером
- •Ключевой режим работы
- •Усилительный режим работы транзистора
- •Делитель Rсм1, Rсм2 задаёт потенциал базы
- •2.3.2. Схема включения транзистора с общим коллектором
- •2.3.3. Схема с общей базой
- •3. Полевые транзисторы
- •3.1. Полевой транзистор с p-n переходом
- •3.1.1. Входные и выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа
- •3.1.2. Схема ключа на полевом транзисторе с p-n переходом
- •3.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •3.2.1. Входные и выходные характеристики моп - транзистора с каналом n -типа (кп 305)
- •3.2.4. Ключ на кмоп - транзисторах с индуцированным каналом
- •3.2.5 Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt). Устройство и особенности работы
- •3.2.6 Igbt-модули
- •4. Тиристоры
- •4.1. Принцип работы тиристора
- •4.2. Основные параметры тиристоров
- •4.3. Двухполупериодный управляемый выпрямитель
- •4.4. Регулятор переменного напряжения
- •5. Интегральные микросхемы
- •5.1. Общие положения
- •5.2. Аналоговые микросхемы. Операционные усилители
- •5.2.1. Свойства оу
- •Практическая трактовка свойств оу
- •5.2.2. Основы схемотехники оу
- •Входной дифференциальный каскад
- •Современный входной дифференциальный каскад
- •Промежуточный каскад
- •Выходной каскад
- •5.2.3. Основные схемы включения оу. Инвертирующее включение
- •Применение инвертирующего усилителя в качестве интегратора
- •5.2.4. Неинвертирующее включение
- •5.2.5. Ограничитель сигнала
- •5.2.6. Компараторы
- •Широтно-импульсного регулирования
- •Триггер Шмитта
- •5.2.7. Активные фильтры
- •Фильтры первого порядка
- •Фазовращатель
- •Логарифмические схемы
- •Выводы:
- •6. Генераторы электрических сигналов Теоретические сведения и расчетные соотношения
- •Контрольные задания
- •Методика выполнения задания
- •Интегральный таймер 555 (к1006ви1)
- •6. Цифровые интегральные микросхемы
- •6.1. Общие понятия
- •6.2. Основные свойства логических функций
- •6.3. Основные логические законы
- •6.4. Функционально полная система логических элементов
- •6.5. Обозначения, типы логических микросхем и структура ттл
- •Основные параметры логических элементов
- •6.6. Синтез комбинационных логических схем
- •6.6.1. Методы минимизации
- •Минимизация с помощью карт Карно
- •Изменим запись закона
- •6.6.2. Примеры минимизации, записи функции и реализации
- •6. 7. Интегральные триггеры
- •6.7.1. Rs асинхронный триггер
- •6.7.2. Асинхронный d - триггер
- •6.7.3. Синхронный d - триггер со статическим управлением
- •6.7.4. Синхронный d -триггер с динамическим управлением
- •6.7.5. Синхронный jk - триггер
- •6.7.7. Вспомогательные схемы для триггеров.
- •Формирователь импульса
- •Триггер Шмитта
- •7.1 Цап с матрицей резисторов r-2r
- •7.2 Биполярный цап
- •4.3 Четырехквадрантный цап
- •7.4 Ацп поразрядного уравновешивания (последовательных приближений)
- •7.5 Ацп параллельного типа
- •7.6 Задачи и упражнения
- •8. Практические занятия
- •8.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления
- •8.2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления
- •8.3. Работа однофазного двухполупериодного выпрямителя при прямоугольном питающем напряжении
- •8.4. Стабилизатор напряжения на стабилитроне
- •8.5. Схема триггера на биполярных транзисторах
- •8.6. Мультивибратор на транзисторах
- •8.7. Ждущий одновибратор на транзисторах
- •Литература
3.2.5 Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt). Устройство и особенности работы
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.
Коммерческое использование IGBT началось с 80-х годов и уже претерпела четыре стадии своего развития.
I поколение IGBT (1985 г.): предельные коммутируемые напряжения 1000 В и токи 200 А в модульном и 25 А в дискретном исполнении, прямые падения напряжения в открытом состоянии 3,0-3,5 В, частоты коммутации до 5 кГц (время включения/выключения около 1 мкс).
II поколение (1991 г.): коммутируемые напряжения до 1600 В, токи до 500 А в модульном и 50 А в дискретном исполнении; прямое падение напряжения 2,5-3,0 В, частота коммутации до 20 кГц ( время включения/ выключения около 0,5 мкс).
III поколение (1994 г.): коммутируемое напряжение до 3500 В, токи 1200 А в модульном исполнении. Для приборов с напряжением до 1800 В и токов до 600 А прямое падение напряжения составляет 1,5-2,2 В, частоты коммутации до 50 кГц (времена около 200 нс).
IV поколение (1998 г.): коммутируемое напряжение до 4500 В, токи до 1800 А в модульном исполнении; прямое падение напряжения 1,0-1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (времена около 200 нс).
IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор).
Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.
Диаграмма напряжения и тока управления приведена на рис. 63
Рис. 63
Схематичный разрез структуры IGBT показан на рис. 64,а. Биполярный транзистор образован слоями p+ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой - слоями n (исток), n+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. На рис. 64,б изображена структура IGBT IV поколения, выполненого по технологии "утопленного" канала (trench-gate technology), позволяющей исключить сопротивление между p-базами и уменьшить размеры прибора в несколько раз.
Рис. 64.
Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.
Для IGBT с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В в полностью включённом состоянии прямое падение напряжения, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5-3,5 В. Это значительно меньше, чем характерное падение напряжения на силовых MOSFET в проводящем состоянии с такими же номинальными напряжениями.
С другой стороны, MOSFET c номинальными напряжениями 200 В и меньше имеют более низкое значение напряжения во включённом состоянии, чем IGBT , и остаются непревзойдёнными в этом отношении в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 50 А.
По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значительно превосходят биполярные. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2-0,4 и 0,2-1,5 мкс, соответственно.
Область безопасной работы IGBT позволяет успешно обеспечить его надёжную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотен ампер. Такими качествами не обладают биполярные транзисторы, соединённые по схеме Дарлингтона.
Так же как и дискретные, MOSFET вытеснили биполярные в ключевых источниках питания с напряжением до 500 В, так и дискретные IGBT делают то же самое в источниках с более высокими напряжениями (до 3500 В).