У другій половині 80-х років з'явилася ідея створення комбінованого силового біполярного транзистора з МОП - керуванням на вході, названого в закордонних публікаціях IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, тобто БТІЗ - біполярний транзистор з ізольованим затвором). Структурне ввімкнення транзисторів у такому складанні показане на рис.12.6.
Рисунок 12.6 – Структурна схема БТІЗ
У 1990-1992 рр. закордонні фірми серійно випустили транзистори БТІЗ.
БТІЗ - транзистор являє собою р-n-р структуру, керовану від низьковольтного МОП з індукованим каналом через високовольтний польовий транзистор. На сьогоднішній день поки ще немає відомостей про транзистори БТІЗ n-р-n типу провідності.
Оскільки струм стоку низьковольтного МОП транзистора становить лише невелику частину струму навантаження (у вихідного біполярного транзистора Iн=Iз=Iб+Iк), то розміри його порівняно невеликі, і він має набагато менші відповідні ємності затвора, чим МОП ПТ. Пробивна вхідна напруга БТІЗ теоретично становить близько 80 В, але для забезпечення надійності роботи в довідкових даних практично всіх фірм виробників БТІЗ зазначене значення, що дорівнює 20 В. При роботі із транзисторами необхідно стежити, щоб напруга затвор-емітера не перевищувала ±20 В.
Напруга на затворі БТІЗ, при якому вхідний МОП - транзистор і вихідний біполярний починають відмикатися, становить від 3,5 до 6,0 В, і гарантована напруга, при якій транзистор повністю відкритий, тобто може пропускати максимально припустимий струм через колектор-емітерний перехід, становить від 8 В до граничного значення 20 В.
Максимальний струм, який можуть комутувати сучасні БТІЗ,
7-100 А, а припустимий імпульсний струм, як правило, в 2,5-3 раза перевищує максимальний. Для більших потужностей випускають модулі, які складаються з декількох транзисторів. Граничні струми таких модулів до 1000 А. Пробивна напруга БТІЗ – 400-2500 В. Основні параметри деяких БТІЗ подані в табл.12.4, модулів - у табл.12.5, у яких взяті такі позначення:
Напруга колектор-емітерного переходу відкритого транзистора 1,5-4 В, залежно від типу, струму й граничної напруги БТІЗ, в однакових режимах. Для різних типів приладів напруга на переході відкритого транзистора тим вища, чим вищі пробивна напруга й швидкість перемикання.
Таблиця 12.5
Тип елемента
Uкэ, В
Uкэн, В
Iк, А при Т=25? С
Iк, А при Т=100? С
Р, Вт
IRGDDN300M06
600
3,0
399
159
1563
IRGDDN400M06
600
3,0
599
239
1964
IRGDDN600M06
600
3,7
799
319
2604
Унаслідок низького коефіцієнта підсилення вихідного біполярного транзистора БТІЗ захищений від вторинного пробою, і що особливо важливо для імпульсного режиму, він має прямокутну область безпечної роботи.
Зі зростанням температури напруга на колектор-емітерному переході транзистора збільшується, це дає можливість умикати прилади паралельно до загального навантаження й збільшувати сумарний вихідний струм.
Так само, як МОП ПТ, БТІЗ мають ємності затвор-колектора, затвор-емітера, колектор-емітера. Величини цих ємностей, як правило, в 2-5 разів нижчі, ніж у МОП ПТ із аналогічними граничними параметрами, Це пов'язане з тим, що в БТІЗ на вході розміщений малопотужний МОП, що потребує для керування в динамічних режимах меншу потужність.
Істотною перевагою БТІЗ є те, що біполярний транзистор у структурі не насичується й, отже, не має часу розсмоктування, однак при зменшенні напруги на затворі струм через силові електроди ще проходить протягом від 80 - 200 нс до одиниць мікросекунд залежно від типу приладу. Зменшити ці тимчасові параметри неможливо, тому що база р-n-р - транзистора недоступна.
БТІЗ порівняно з МОП ПТ мають такі переваги:
- економічність керування, пов'язана з меншою ємністю затвора й відповідно динамічними втратами на керування;
- висока щільність струму в переході емітер-колектора така сама, як і у біполярному транзисторі;
- менші втрати в режимах імпульсних струмів;
- практично прямокутна область безпечної роботи;
- можливість паралельного сполучення транзисторів з загальним навантаженням;
- динамічні характеристики останніх транзисторів наближаються до МОП ПТ.
Наприклад, залежність струму колектора БТІЗ від частоти для транзистора IRGPC5OUD2 показана на рис.12.7.
Рисунок 12.7 – Залежність струму колектора від частоти
. Як бачимо з рисунка, при частотах роботи транзисторів більше 10 кГц доводиться зменшувати струм колектора більш ніж удвічі.
Основним недоліком БТІЗ є великий час вимикання, що обмежує частоти перемикання до 40-100 кГц навіть у самих швидкодіючих транзисторів, крім того, зі зростанням частоти необхідно зменшувати
