Биполя́рный транзи́стор с изоли́рованным затво́ром (БТИЗ, ) — трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления).

Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами.

Каскадное включение транзисторов двух типов позволяет сочетать их достоинства в одном приборе: выходные характеристики биполярного (большое допустимое рабочее напряжение, а также тепловые потери, пропорциональные силе тока, а не квадрату силы тока, как у полевых) и входные характеристики полевого (минимальные затраты на управление).

Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного.

Выпускаются как отдельные приборы БТИЗ, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

История До 1990-х годов в качестве силовых полупроводниковых приборов, помимо тиристоров, использовались биполярные транзисторы. Их эффективность была ограничена несколькими недостатками: необходимость большого тока базы для включения; относительно медленный процесс запирания, поскольку ток коллектора не спадает мгновенно после отключения тока управления в базе — во время запирания имеется относительно небольшое сопротивление в цепи коллектора при большом токе, что вызывает нагрев транзистора; зависимость параметров от температуры; падение напряжения между коллектором и эмиттером в режиме насыщения ограничивает минимальное коммутируемое напряжение.

С появлением полевых транзисторов, выполненных по технологии МОП (), ситуация изменилась. В отличие от биполярных, полевые транзисторы: управляются не током, а напряжением; их параметры не так сильно зависят от температуры; их рабочее напряжение теоретически не имеет нижнего предела благодаря использованию многоячеистых СБИС; имеют низкое сопротивление канала (менее миллиома); могут работать в широком диапазоне токов (от миллиампер до сотен ампер); имеют высокую частоту переключения (сотни килогерц и больше); высокие рабочие напряжения при больших линейных и нагрузочных изменениях, тяжёлых рабочих циклах и низких выходных мощностях.

Полевые МОП-транзисторы легко управляются, что свойственно транзисторам с изолированным затвором, и имеют встроенный диод утечки для ограничения случайных бросков тока. Типичные применения этих транзисторов — импульсные преобразователи напряжения с высокими рабочими частотами, аудиоусилители (так называемого классаD).

Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР в НИИ «Пульсар» (разработчик — В. В. Бачурин) в 1973 году, а их ключевые свойства исследованы в Смоленском филиале МЭИ (научный руководитель — В. П. Дьяконов). В процессе этих работ в 1977 году был предложен составной транзистор, в котором мощный биполярный транзистор управляется посредством полевого транзистора с изолированным затвором. Было показано, что выходные токи и напряжения составных структур определяются биполярным транзистором, а входные — полевым. При этом биполярный транзистор в ключе на основе составного транзистора не насыщается, при этом не происходит накопление неосновных носителей в базовом слое биполярной структуры, что существенно уменьшает задержку при выключении и обуславливает преимущества таких приборов при использовании в качестве силовых ключей. На такой полупроводниковый прибор, названный авторами «побистором», получено авторское свидетельство СССР № 757051. Он выполнен в виде единой структуры, содержащей мощный биполярный транзистор, на поверхности которого создан полевой транзистор с V-образным изолированным затвором.

Первый промышленный образец БТИЗ был запатентован International Rectifier в 1983 году. Позднее, в 1985 году, был разработан БТИЗ с полностью планарной структурой (без V-канала) и более высокими рабочими напряжениями. Это произошло почти одновременно в лабораториях фирм General Electric (Скенектади, штат Нью-Йорк) и RCA (Принстон, штат Нью-Джерси). В 1990-е годы было принято название для таких приборов IGBT (БТИЗ). Первые БТИЗ не получили широкого распространения из-за существенных недостатков — медленного переключения, низкой надёжности и возможного перехода в тиристорный режим из-за существующего в полупроводниковой структуре слоёв прибора паразитного транзистора. Второе (появилось в 1990-е годы) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавлено от этих недостатков.

Достоинства

БТИЗ сочетает достоинства двух основных видов транзисторов: высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от полевых транзисторов с изолированным затвором; малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях; характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора; управление как у MOSFET — напряжением.

Диапазон использования — от десятков до по току, от сотен вольт до по напряжению. В диапазоне токов до десятков ампер и напряжений до примерно целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением.

Применение

Основное применение БТИЗ — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

БТИЗ широко применяются в инверторных источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе электрическом транспорте (после распространения асинхронных тяговых электродвигателей вместо ТЭД постоянного тока).

Применение IGBT-модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет, по сравнению с тиристорными устройствами, обеспечить высокий КПД, высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

БТИЗ применяют при работе с высокими напряжениями (более ), высокой температурой (более и высокой выходной мощностью (более ). IGB-транзисторы используются в схемах управления двигателями (при рабочей частоте менее ), источниках бесперебойного питания (с постоянной нагрузкой и низкой частотой) и сварочных аппаратах (где требуется большой ток и низкая частота — до ).

IGBT и MOSFET занимают диапазон средних мощностей и частот, частично «перекрывая» друг друга. В общем случае, для высокочастотных низковольтных каскадов наиболее подходят МОП, а для высоковольтных мощных — БТИЗ.

В некоторых случаях БТИЗ и МОП-транзисторы полностью взаимозаменяемы, цоколёвка приборов и характеристики управляющих сигналов обоих устройств обычно одинаковы. IGBT и MOSFET требуют 12— для полного включения и не нуждаются в отрицательном напряжении для выключения, как запираемый тиристор. Но «управляемый напряжением» не означает, что при переключении БТИЗ в цепи затвора отсутствует ток. Затвор БТИЗ (как и МОП-транзистора) для управляющей схемы эквивалентно является конденсатором с ёмкостью, достигающей единиц нанофарад (для мощных приборов), что определяет импульсный характер тока затвора. Драйвер затвора должен быть способным быстро перезаряжать эту ёмкость, чтобы обеспечить быстрое переключение транзистора.

См. также Ключ (электротехника) Биполярный транзистор Полевой транзистор Тиристор Электротранспорт Тяговый преобразователь Частотно-регулируемый привод

Примечания

Ссылки Принципы работы мощных MOSFET и IGBT Установка БТИЗ-модуля на трамвай Tatra KT4 № 107 научными сотрудниками Таллинского технического университета Технические данные БТИЗ-модуля для трамвая Tatra KT4.

— IGBT или MOSFET? Оптимальный выбор. Биполярные транзисторы с изолированным затвором для начинающих. IGBT for beginners.

Категория:Силовая электроника Категория:Транзисторы