Insulated gate bipolary transistor (IGBT, eng. Insulated-gate bipolar transistor , IGBT ) on kolmielektrodinen tehopuolijohdelaite, joka yhdistää kaksi transistoria yhdeksi puolijohderakenteeksi: bipolaariset (muodostavat tehokanavan) ja kenttä (muodostavat ohjauskanavan) [ 1] . Sitä käytetään pääasiassa tehokkaana elektronisena avaimena hakkuriteholähteissä , inverttereissä ja sähkökäytön ohjausjärjestelmissä .
Kahden tyyppisten transistorien peräkkäinen kaskadi mahdollistaa niiden etujen yhdistämisen yhdessä laitteessa: bipolaarisen lähtöominaisuudet (suuri sallittu käyttöjännite ja avoimen kanavan vastus, verrannollinen virtaan, ei virran neliöön, kuten kentällä ) ja kentän syöttöominaisuudet (valvontakustannukset). Ohjauselektrodia kutsutaan hilaksi, kuten kenttätransistoriksi, kahta muuta elektrodia kutsutaan emitteriksi ja kollektoriksi, kuten kaksinapaiseksi [2] [3] .
Sekä yksittäisiä IGBT:itä että niihin perustuvia tehokokoonpanoja (moduuleja) valmistetaan esimerkiksi kolmivaihevirtapiirien ohjaamiseen.
1990 - luvulle asti tehopuolijohteina käytettiin tyristorien lisäksi bipolaarisia transistoreita . Niiden tehokkuutta ovat rajoittaneet useat haitat:
MOS- teknologialla valmistettujen kenttätransistorien ( esim . MOSFET ) myötä tilanne on muuttunut. Toisin kuin bipolaariset kenttätransistorit:
MOSFETit ovat helposti hallittavissa, kuten IGBT:t, ja niissä on sisäänrakennettu vuotodiodi, joka rajoittaa tahattomia virtapiikkejä. Tyypillisiä sovelluksia näille transistoreille ovat kytkentäjännitemuuntimet korkeilla toimintataajuuksilla, äänivahvistimet (ns. D-luokka ).
Ensimmäiset suuritehoiset kenttätransistorit luotiin Neuvostoliitossa Pulsar Research Institutessa (kehittäjä - V. V. Bachurin) vuonna 1973, ja niiden keskeisiä ominaisuuksia tutkittiin MPEI :n Smolenskin haarassa (ohjaaja - V. P. Dyakonov ) [4] . Osana näitä töitä vuonna 1977 ehdotettiin komposiittitransistoria, jossa voimakasta bipolaaritransistoria ohjataan eristetyllä hila-kenttätransistorilla. Osoitettiin, että komposiittirakenteiden lähtövirrat ja jännitteet määräytyvät bipolaaritransistorilla, kun taas tulovirrat kenttätransistori. Samanaikaisesti komposiittitransistoriin perustuvassa avaimessa oleva bipolaarinen transistori ei ole kyllästynyt, mikä vähentää jyrkästi sammutusviivettä [5] ja määrittää tällaisten laitteiden, kuten virtakytkimien, edut [6] . Puolijohdelaite, nimeltään "pobistor", sai Neuvostoliiton tekijäntodistuksen nro 757051. Se on valmistettu yhtenäisenä rakenteena, joka sisältää tehokkaan bipolaaritransistorin, jonka pinnalla on kenttätransistori, jossa on V-muotoinen eristetty hila. on luotu [7]
IGBT:n ensimmäisen teollisen mallin patentoi International Rectifier vuonna 1983. Myöhemmin, vuonna 1985, kehitettiin IGBT:t, joissa oli täysin litteä rakenne (ei V-kanavaa) ja korkeammat käyttöjännitteet. Tämä tapahtui lähes samanaikaisesti General Electricin ( Schenectady , New York) ja RCA :n ( Princeton , New Jersey) laboratorioissa. Alun perin laitteen nimi oli COMFET, GEMFET tai IGFET. 1990-luvulla otettiin käyttöön nimi IGBT. Ensimmäiset IGBT:t eivät saavuttaneet suosiota syntymävikojen vuoksi - hidas vaihto ja alhainen luotettavuus. Toinen (1990-luku) ja kolmas (moderni) sukupolvi IGBT:t pääsivät yleensä eroon näistä paheista.
IGBT yhdistää kahden päätyyppisen transistorin edut:
Käyttöalue on kymmenistä 1200 ampeeriin virralla, sadoista volteista 10 kV jännitteeseen. Virta-alueella kymmeniin ampeeriin ja jännitteisiin 500 V asti on suositeltavaa käyttää tavanomaisia MOS - (MIS-) -transistoreja, ei IGBT:itä, koska kenttätransistoreilla on vähemmän vastusta matalilla jännitteillä.
IGBT:iden pääsovellus on invertterit , kytkentävirran säätimet, taajuusmuuttajat .
IGBT:itä käytetään laajasti hitsausvirtalähteissä, voimakkaan sähkökäytön ohjaamisessa, myös kaupunkien sähköliikenteessä.
IGBT-moduulien käyttö ajomoottorin ohjausjärjestelmissä mahdollistaa (verrattuna tyristorilaitteisiin) korkean hyötysuhteen , koneen korkean tasaisuuden ja mahdollisuuden käyttää regeneratiivista jarrutusta lähes kaikilla nopeuksilla.
IGBT:tä käytetään työskenneltäessä korkealla jännitteellä (yli 1000 V ), korkealla lämpötilalla (yli 100 °C) ja suurella lähtöteholla (yli 5 kW ). IGB-transistoreja käytetään moottorin ohjauspiireissä (käyttötaajuudella alle 20 kHz ), keskeytymättömissä virtalähteissä (vakiokuormalla ja matalataajuudella) ja hitsauskoneissa (joissa vaaditaan suurta virtaa ja matalataajuutta - jopa 50 kHz ).
IGBT:t ja MOSFETit vievät keskiteho- ja taajuusalueen, osittain "päällekkäin" toistensa kanssa. Yleensä MOS soveltuu parhaiten korkeataajuisille pienjänniteportaille, ja IGBT:t sopivat parhaiten korkeajännitteisille tehoasteille.
Joissakin tapauksissa IGBT:t ja MOSFET:t ovat täysin vaihdettavissa keskenään, molempien laitteiden liitäntä- ja ohjaussignaalin ominaisuudet ovat yleensä samat. IGBT:t ja MOSFET:t vaativat 12–15 V jännitteen kytkeytyäkseen täysin päälle, eivätkä ne tarvitse negatiivista jännitettä sammuakseen kuten aidatulla tyristorilla . Mutta "jänniteohjattu" ei tarkoita, että hilapiirissä ei ole virtaa, kun IGBT on kytketty. Ohjauspiirin IGBT:n (sekä MOS-transistorin) portti on kondensaattori, jonka kapasitanssi saavuttaa nanofaradin yksiköitä (tehokkaille laitteille), joka määrittää hilavirran pulssiluonteen. Portin ajurin on kyettävä lataamaan ja purkaa tämä kapasitanssi nopeasti varmistaakseen transistorin nopean kytkennän.