Elementy elektroniczne dużej mocy

IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) to inaczej tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Rysunek 13 pokazuje uproszczony schemat zastępczy i spotykane symbole tranzystora IGBT.

Rysunek 13.

Tranzystory IGBT zostały wynalezione w latach 80., a na rynku stały się dostępne w latach 90. Są to tranzystory dużej mocy, łączące zalety MOSFET-ów (łatwość sterowania) i klasycznych bipolarnych tranzystorów złączowych BJT (duży prąd i napięcie pracy, niskie napięcie nasycenia). Są one sterowane napięciowo, tak jak MOSFET-y, więc wyeliminowana zostaje główna wada bipolarnych tranzystorów wysokonapięciowych – konieczność zapewnienia dużego prądu bazy. Jednocześnie pozostaje główna zaleta tranzystorów bipolarnych – wysokie napięcie pracy oraz stosunkowo małe napięcie nasycenia przy dużych prądach przewodzenia.

Rysunek 14.

Rysunek 13 sugeruje, że IGBT to połączenie dwóch niezależnych tranzystorów. W rzeczywistości IGBT to pojedyncza struktura półprzewodnikowa (rysunek 14) o specyficznych cechach, a rysunek 13 jest zbyt mocno uproszczony, by pokazać kluczowe właściwości. Taka dość prosta struktura półprzewodnikowa ma specyficzne cechy i ograniczenia. Zagadnienie jest skomplikowane, a jakieś pojęcie o ograniczeniach daje rysunek 15, pokazujący nieco dokładniejszy schemat zastępczy takiego elementu.

Rysunek 15.

Dla porządku warto nadmienić, że nie ma tranzystorów IGBT niskonapięciowych ani IGBT małej mocy. Dziś tranzystory IGBT znajdują szereg zastosowań tam, gdzie występują wysokie napięcia i płyną duże prądy. Dostępne są moduły IGBT o napięciach co najmniej kilkuset woltów i prądach nawet setek amperów. Wykorzystywane są m.in. do budowy coraz popularniejszych płyt – kuchni indukcyjnych (ale nie mikrofalowych), falowników, spawarek inwertorowych, nagrzewnic indukcyjnych, przecinarek plazmowych, itd. Nieprzekraczalnym ograniczeniem jest w nich maksymalna szybkość przełączania struktury bipolarnej pnp, co najwyżej kilkaset kiloherców, w praktyce do 100 kHz. A wiele współczesnych urządzeń musi pracować przy częstotliwościach wyższych. I wtedy znów trzeba wrócić do tranzystorów polowych.

Znany z wielu źródeł rysunek 16 pokazuje, w jakich zakresach prądów, napięć i częstotliwości do niedawna pracowały poszczególne półprzewodnikowe elementy dużej mocy. W ostatnich latach sytuacja znacząco się zmienia za sprawą pojawienia się nowych elementów SiC i GaN, o czym za chwilę.

Rysunek 16.