Isoleret gate bipolær transistor (IGBT, eng. Insulated-gate bipolar transistor , IGBT ) er en tre-elektrode effekthalvlederenhed, der kombinerer to transistorer i en halvlederstruktur: bipolær (danner en effektkanal) og felt (danner en kontrolkanal) [ 1] . Den bruges hovedsageligt som en kraftig elektronisk nøgle til at skifte strømforsyninger , invertere , i elektriske drevstyringssystemer .
Kaskaden af to typer transistorer giver dig mulighed for at kombinere deres fordele i en enhed: udgangsegenskaberne for den bipolære (stor tilladt driftsspænding og åben kanalmodstand, proportional med strømmen og ikke kvadratet af strømmen, som i feltet ) og markens inputkarakteristika (minimum kontrolomkostninger). Styreelektroden kaldes en gate, ligesom en felteffekttransistor, de to andre elektroder kaldes en emitter og en kollektor, ligesom en bipolær [2] [3] .
Både individuelle IGBT'er og strømaggregater (moduler) baseret på dem fremstilles for eksempel til styring af trefasede strømkredsløb.
Indtil 1990'erne blev bipolære transistorer brugt som effekthalvledere ud over tyristorer . Deres effektivitet er blevet begrænset af flere ulemper:
Med fremkomsten af felteffekttransistorer , lavet ved hjælp af MOS -teknologi ( eng. MOSFET ), har situationen ændret sig. I modsætning til bipolære felteffekttransistorer:
MOSFET'er er nemme at styre, som det er tilfældet med IGBT'er, og har en indbygget lækagediode for at begrænse utilsigtede strømstød. Typiske anvendelser for disse transistorer er omskifterspændingsomformere med høje driftsfrekvenser, lydforstærkere (den såkaldte klasse D ).
De første højeffekt-felteffekttransistorer blev skabt i USSR ved Pulsar Research Institute (udvikler - V.V. Bachurin) i 1973, og deres nøgleegenskaber blev undersøgt ved Smolensk-afdelingen af MPEI (supervisor - V.P. Dyakonov ) [4] . Som en del af disse værker blev der i 1977 foreslået en sammensat transistor, hvor en kraftig bipolær transistor styres af en isoleret gate-felteffekttransistor. Det blev vist, at udgangsstrømmene og spændingerne af sammensatte strukturer bestemmes af en bipolær transistor, mens indgangsstrømmene bestemmes af en felteffekttransistor. Samtidig er den bipolære transistor i nøglen baseret på den sammensatte transistor ikke mættet, hvilket kraftigt reducerer slukningsforsinkelsen [5] og bestemmer fordelene ved sådanne enheder som strømafbrydere [6] . Halvlederenheden, kaldet "pobistor", modtog USSR forfattercertifikat nr. 757051. Den er lavet i form af en enkelt struktur indeholdende en kraftig bipolær transistor, på hvis overflade en felteffekttransistor med en V-formet isoleret gate er oprettet [7]
Det første industrielle design af IGBT blev patenteret af International Rectifier i 1983. Senere, i 1985, blev IGBT'er udviklet med en helt flad struktur (ingen V-kanal) og højere driftsspændinger. Dette skete næsten samtidigt i laboratorierne hos General Electric ( Schenectady , New York) og RCA ( Princeton , New Jersey). Oprindeligt hed enheden COMFET, GEMFET eller IGFET. I 1990'erne blev navnet IGBT vedtaget. De første IGBT'er vandt ikke popularitet på grund af fødselsdefekter - langsom skift og lav pålidelighed. Den anden (1990'erne) og tredje (moderne) generation af IGBT'ere slap generelt af med disse laster.
IGBT kombinerer fordelene ved to hovedtyper af transistorer:
Anvendelsesområdet er fra tiere til 1200 ampere i strøm, fra hundredvis af volt til 10 kV i spænding. I området for strømme op til snesevis af ampere og spændinger op til 500 V , er det tilrådeligt at bruge konventionelle MOS - (MIS-) transistorer og ikke IGBT'er, da felteffekttransistorer har mindre modstand ved lave spændinger.
Hovedanvendelsen af IGBT'er er invertere , skiftestrømsregulatorer, frekvensomformere .
IGBT'er bruges i vid udstrækning til svejsestrømkilder, til styring af et kraftigt elektrisk drev, herunder i bytransport.
Brugen af IGBT-moduler i traktionsmotorstyringssystemer gør det muligt (sammenlignet med tyristoranordninger) at give høj effektivitet , høj glathed af maskinen og muligheden for at bruge regenerativ bremsning ved næsten enhver hastighed.
IGBT'er bruges, når der arbejdes med højspænding (mere end 1000 V ), høj temperatur (mere end 100 °C) og høj udgangseffekt (mere end 5 kW ). IGB-transistorer bruges i motorstyrekredsløb (ved en driftsfrekvens på mindre end 20 kHz ), uafbrydelige strømforsyninger (med konstant belastning og lav frekvens) og svejsemaskiner (hvor høj strøm og lav frekvens er påkrævet - op til 50 kHz ).
IGBT'er og MOSFET'er optager mellemeffekt- og frekvensområdet og "overlapper" delvist hinanden. Generelt er MOS mest velegnet til højfrekvente lavspændingstrin, og IGBT'er er mest velegnede til højspændingseffekttrin.
I nogle tilfælde er IGBT'er og MOSFET'er fuldstændigt udskiftelige, enhedens pinout- og styresignalkarakteristika for begge enheder er normalt de samme. IGBT'er og MOSFET'er kræver 12-15V for fuldt ud at tænde og behøver ikke en negativ spænding for at slukke som en gated tyristor . Men "spændingsstyret" betyder ikke, at der ikke er nogen strøm i gatekredsløbet, når IGBT'en skiftes. Gaten til en IGBT (såvel som en MOS-transistor) til styrekredsløbet er en kondensator med en kapacitans, der når enheder på nanofarads (for kraftige enheder), som bestemmer gatestrømmens pulsart. Gatedriveren skal være i stand til hurtigt at oplade og aflade denne kapacitans for at sikre hurtig omskiftning af transistoren.