Das isolierte Tor bipolar Transistor oder IGBT ist ein als ein elektronischer Schalter in erster Linie verwendetes Drei-Terminals-Macht-Halbleiter-Gerät, und in neueren Geräten wird bemerkt, um hohe Leistungsfähigkeit zu verbinden und schnell umzuschalten. Es schaltet elektrische Macht in vielen modernen Geräten: elektrische Autos, Züge, variable Geschwindigkeitskühlschränke, Klimaanlagen und sogar Stereosysteme mit umschaltenden Verstärkern. Da es entworfen wird, um sich zu drehen, und von schnell, synthetisieren Verstärker, die es häufig verwenden, komplizierte Wellenformen mit der Pulsbreite-Modulation und den Filtern des niedrigen Passes. In umschaltenden Anwendungen rühmen sich moderne Geräte Pulswiederholungsraten gut in die Überschallreihe - Frequenzen, die mindestens zehnmal die höchste durch das Gerät behandelte Audiofrequenz, wenn verwendet, als ein analoger Audioverstärker sind.

Der IGBT verbindet die einfachen Eigenschaften des Tor-Laufwerkes des MOSFETs mit der Hochstromfähigkeit und Fähigkeit der niedrigen Sättigungsstromspannung zu bipolar Transistoren durch das Kombinieren eines isolierten Tors FET für den Kontrolleingang und ein bipolar Macht-Transistor als ein Schalter in einem Einzelgerät. Der IGBT wird im Medium - zu Hochleistungsanwendungen wie Macht-Bedarf der geschalteten Weise, Traktionsmotorkontrolle und Induktionsheizung verwendet. Große IGBT Module bestehen normalerweise aus vielen Geräten in der Parallele und können sehr hohe aktuelle behandelnde Fähigkeiten in der Ordnung von Hunderten von Ampere mit blockierenden Stromspannungen haben, zu Hunderten von Kilowatt entsprechend.

Der IGBT ist eine ziemlich neue Erfindung. Die Geräte der ersten Generation der 1980er Jahre und Anfang der 1990er Jahre waren in der Schaltung relativ langsam, und für den Misserfolg durch solche Weisen wie latchup anfällig (in dem das Gerät nicht abbiegen wird, so lange Strom fließt), und sekundäre Depression (in dem ein lokalisierter Krisenherd im Gerät in Thermalausreißer eintritt und das Gerät an hohen Strömen ausbrennt). Geräte der zweiten Generation wurden sehr verbessert, und die aktuellen der dritten Generation sind mit der Geschwindigkeit noch besser, die mit MOSFETs, und ausgezeichneter Rauheit und Toleranz von Überlastungen konkurriert.

Die äußerst hohen Pulseinschaltquoten von zweiten - und der dritten Generation Geräte machen sie auch nützlich, um große Macht-Pulse in Gebieten wie Partikel und Plasmaphysik zu erzeugen, wo sie anfangen, ältere Geräte wie thyratrons und ausgelöste Funken-Lücken zu ersetzen.

Ihre hohen Pulseinschaltquoten und niedrige Preise auf dem Überschussmarkt, machen sie auch attraktiv für den Hochspannungshobbyisten, um große Beträge der Macht zu Antriebsvorrichtungen wie Halbleiterrollen von Tesla und coilguns zu kontrollieren.

Die Verfügbarkeit von erschwinglichem, zuverlässigem IGBTs ist ein wichtiger enabler für elektrische Fahrzeuge und hybride Autos.

Geschichte

Der IGBT ist ein Halbleiter-Gerät mit vier Wechselschichten (P N P N), die von einer Tor-Struktur des Metalloxydhalbleiters (MOS) ohne verbessernde Handlung kontrolliert werden.

Diese Verfahrensweise wurde zuerst von Yamagami in seinem japanischen offenen S47-21739 vorgeschlagen, der 1968 abgelegt wurde. Diese Verfahrensweise wurde zuerst von B. Jayant Baliga in vertikalen Gerät-Strukturen mit einem V-Rinne-Tor-Gebiet experimentell entdeckt und hat in der Literatur 1979 berichtet. Die Gerät-Struktur ist eine 'V-Rinne MOSFET Gerät mit dem Abflussrohr-Gebiet genannt geworden, das durch ein P-Typ-Anode-Gebiet' in dieser Zeitung und nachher als der isolierte Tor-Berichtiger (IGR), der Transistor des isolierten Tors (IGT), der Leitvermögen-abgestimmte Feldwirkungstransistor (COMFET) und "die Bipolar-Weise MOSFET" ersetzt ist.

Plummer hat dieselbe IGBT Verfahrensweise im vier Schicht-Gerät (SCR) gefunden, und er hat zuerst eine offene Anwendung für die Gerät-Struktur 1978 abgelegt. USP Nr. 4199774 wurde 1980 ausgegeben, und B1 Re33209 wurde 1995 für die IGBT Weise-Operation im vier Schicht-Gerät (SCR) neu aufgelegt.

Hans W. Becke und Carl F. Wheatley haben ein ähnliches Gerät erfunden, für das sie eine offene Anwendung 1980 abgelegt haben, und den sie als "Macht MOSFET mit einem Anode-Gebiet" gekennzeichnet haben. Dieses Patent ist "das Samenpatent des Isolierten Tors Bipolar Transistor genannt worden." Das Patent hat behauptet, dass "keine thyristor Handlung unter irgendwelchen Gerät-Betriebsbedingungen vorkommt." Das bedeutet wesentlich, dass die Gerät-Ausstellungsstücke "nicht" IGBT Operation über die komplette Gerät-Operationsreihe zuklinken.

Praktische Geräte, die zum Funktionieren über eine verlängerte aktuelle Reihe fähig sind, wurden zuerst durch Baliga. 1982 berichtet. Eine ähnliche Zeitung wurde auch von J.P. Russel vorgelegt u. a. zum IEEE Elektrongerät-Brief 1982. Die Anwendungen für das Gerät wurden von der Macht-Elektronik-Gemeinschaft am Anfang betrachtet, um durch seine langsame umschaltende Geschwindigkeit und Klinke der parasitischen thyristor innerhalb des Geräts innewohnenden Struktur streng eingeschränkt zu werden. Jedoch wurde es von Baliga und auch von vormittags Goodman demonstriert u. a. 1983, dass die umschaltende Geschwindigkeit über eine breite Reihe durch das Verwenden des Elektronausstrahlens angepasst werden konnte. Dem wurde von der Demonstration der Operation des Geräts bei Hochtemperaturen von Baliga 1985 gefolgt. Erfolgreiche Anstrengungen, die Klinke des parasitischen thyristor und das Schuppen der Stromspannungsschätzung der Geräte an GE zu unterdrücken, haben die Einführung von kommerziellen Geräten 1983 erlaubt, die für ein großes Angebot an Anwendungen verwertet werden konnten.

Die ganze Unterdrückung der parasitischen thyristor Handlung und des Endergebnisses "nicht klinkt" IGBT Operation wegen der kompletten Gerät-Operationsreihe zu wurde von A. Nakagawa erreicht u. a. 1984. Das Designkonzept "nicht klinkt sich ein" wurde für US-Patente abgelegt. Um den Mangel an latchup der Prototyp 1200V zu prüfen, wurden IGBTs ohne irgendwelche Lasten über 600V unveränderliche Stromspannungsquelle direkt verbunden und wurden seit 25 Mikrosekunden eingeschaltet. Das komplette 600V war über das Gerät und einen großen kurzen überfluteten Stromkreis-Strom fallen gelassen. Die Geräte haben erfolgreich dieser strengen Bedingung widerstanden. Das war die erste Demonstration der so genannten "kurzen Stromkreis-Widerstehen-Fähigkeit" in IGBTs. "Nicht klinken" IGBT Operation zu wurde zum ersten Mal für die komplette Gerät-Operationsreihe gesichert. In diesem Sinn, "nicht klinken" von Hans W. Becke vorgeschlagenen IGBT zu, und Carl F. Wheatley wurde von A. Nakagawa begriffen u. a. 1984. Produkte "nicht klinken" IGBTs zu wurden zuerst von Toshiba 1985 kommerzialisiert.

Einmal die Fähigkeit "nicht klinken sich ein" wurde in IGBTs erreicht, es wurde gefunden, dass IGBTs sehr rau und eine sehr große sichere Bedienungsfläche ausgestellt hat. Es wurde demonstriert, dass das Produkt der aktuellen Betriebsdichte und der Kollektorspannung die theoretische Grenze von bipolar Transistoren, 2x10W/cm überschritten hat, und 5x10W/cm erreicht hat.

Der Dämmstoff wird normalerweise aus festen Polymern gemacht, die Probleme mit der Degradierung haben. Es gibt Entwicklungen, die ein Ion-Gel verwenden, um Herstellung zu verbessern und die erforderliche Stromspannung zu reduzieren.

Gerät-Struktur

Eine IGBT Zelle wird ähnlich zu einem N-Kanal vertikale Baumacht MOSFET außer dem n + gebaut Abflussrohr wird durch einen p + Sammler-Schicht ersetzt, so einen vertikalen PNP bipolar Verbindungspunkt-Transistor bildend.

Dieser zusätzliche p + Gebiet schafft eine Kaskadeverbindung eines PNP bipolar Verbindungspunkt-Transistor mit dem OberflächenN-Kanal MOSFET.

Vergleich mit der Macht MOSFETs

Ein IGBT hat einen bedeutsam niedrigeren Vorwärtsspannungsabfall im Vergleich zu einem herkömmlichen MOSFET in abgeschätzten Geräten der höheren blockierenden Stromspannung. Als die blockierende Stromspannungsschätzung sowohl von MOSFET als auch von IGBT Gerät-Zunahmen muss die Tiefe des N-Antrieb-Gebiets zunehmen, und das Doping muss abnehmen, grob auf Quadratbeziehungsabnahme auf die Vorwärtsleitung gegen die blockierende Stromspannungsfähigkeit zum Gerät hinauslaufend. Durch das Einspritzen von Minderheitstransportunternehmen (Löcher) vom Sammler p + Gebiet ins N-Antrieb-Gebiet während der Vorwärtsleitung wird der Widerstand des N-Antrieb-Gebiets beträchtlich reduziert. Jedoch kommt diese resultierende Verminderung des Durchlasszustands Vorwärtsstromspannung mit mehreren Strafen:

• Die zusätzlichen PN Verbindungspunkt-Blöcke kehren aktuellen Fluss um. Das bedeutet, dass verschieden von einem MOSFET IGBTs in der Rückwartsrichtung nicht führen kann. In Brücke-Stromkreisen, wo aktueller Rückfluss eine zusätzliche Diode erforderlich ist (hat eine Freilaufdiode genannt), wird in die Parallele mit dem IGBT gelegt, um Strom in der entgegengesetzten Richtung zu führen. Die Strafe, ist wie zuerst angenommen, nicht so streng, obwohl, weil an den höheren Stromspannungen, wo IGBT Gebrauch vorherrscht, getrennte Dioden der bedeutsam höheren Leistung sind als die Körperdiode eines MOSFET.
• Die Rückneigungsschätzung des N-Antrieb-Gebiets dem Sammler P + ist Diode gewöhnlich nur Zehnen von Volt so, wenn die Stromkreis-Anwendung eine Sperrspannung auf den IGBT anwendet, muss eine zusätzliche Reihe-Diode verwendet werden.
• Die ins N-Antrieb-Gebiet eingespritzten Minderheitstransportunternehmen brauchen Zeit, um hereinzugehen und abzugehen oder sich daran wiederzuverbinden, drehen sich und biegen ab. Das resultiert in der längeren umschaltenden Zeit und folglich dem höheren umschaltenden Verlust im Vergleich zu einer Macht MOSFET.
• Der Durchlasszustand Vorwärtsspannungsabfall in IGBTs benimmt sich sehr verschieden dazu in der Macht MOSFETS. Der MOSFET Spannungsabfall kann als ein Widerstand mit dem zum Strom proportionalen Spannungsabfall modelliert werden. Im Vergleich hat IGBT eine Diode wie Spannungsabfall (normalerweise der Ordnung 2V) Erhöhung nur mit dem Klotz des Stroms. Zusätzlich ist MOSFET Widerstand normalerweise für kleinere blockierende Stromspannungen niedriger, die bedeuten, dass die Wahl zwischen IGBTs und Macht MOSFETS sowohl von der blockierenden Stromspannung als auch vom Strom abhängt, der an einer besonderen Anwendung, sowie den verschiedenen umschaltenden Eigenschaften beteiligt ist, die oben erwähnt sind.

In der allgemeinen Hochspannung, dem hohen Strom und niedrig bevorzugen umschaltende Frequenzen IGBTs, während niedrige Stromspannung, niedriger Strom und hoch umschaltende Frequenzen das Gebiet des MOSFET sind.

IGBT Modelle

Anstatt ein Gerät Physik-basiertes Modell zu verwenden, täuscht GEWÜRZ IGBTs das Verwenden von Makromodellen, einer Methode vor, die ein Ensemble von Bestandteilen wie FETs und BJTs in einer Konfiguration von Darlington verbindet. Ein alternatives Physik-basiertes Modell ist das Modell von Hefner, das von Allen Hefner des NIST eingeführt ist. Es ist ein ziemlich kompliziertes Modell, das sehr gute Ergebnisse gezeigt hat. Das Modell von Hefner wird in einer 1988-Zeitung beschrieben und wurde später zu einem thermoelektrischen Modell und einer Version mit dem SÄBEL erweitert.

Gebrauch

Siehe auch

• Verbindungspunkt-Transistor von Bipolar
• Das Urladeverfahren
• FGMOS
• Macht-Elektronik
• Macht MOSFET
• Sonneninverter
• Die Variable-frequency Drive

Literatur

• Dr Ulrich Nicolai, Dr Tobias Reimann, Prof. Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Anwendungshandbuch IGBT und MOSFET Macht-Module, 1. Ausgabe, die INSEL VERLAG, 1998, internationale Standardbuchnummer 3-932633-24-5 PDF-Version

Links

• Über die Erfinder
• Gerät-Physik-Information von der Universität Glasgows
• Gewürz-Modell für IGBT
• Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Anwendungszeichen von Basic Ixys Corporation IXAN0063
• Das Abkühlen von IGBT Modulen
• Das Verwenden von IGBT Modulen - Powerex
• IGBT und Kontrolle geben Stromkreis für PWM Anwendungen ein