Koncepcia dizajnu bipolárneho tranzistora s izolovaným hradlom (IGBT).

Koncepcia dizajnu bipolárneho tranzistora s izolovanou bránou (IGBT) sa zameriava na kombináciu výhod výkonových MOSFET a bipolárnych tranzistorov s bipolárnym prechodom (BJT/GTR) s cieľom prekonať obmedzenia jedného zariadenia vo vysoko{0}}napäťových a{1}}prúdových aplikáciách.

 

Koncepcie základného dizajnu

Kompozitná štruktúra, kombinácia silných stránok
IGBT integruje vysokú vstupnú impedanciu, napätím{0}}riadenú prevádzku a rýchle spínacie charakteristiky tranzistorov MOSFET s nízkym úbytkom napätia a vysokou prúdovou hustotou tranzistorov BJT, čím vytvára hybridné zariadenie s „napätím-riadeným + bipolárnym vedením“.

 

Modulácia vedenia na zníženie straty vedenia
Injektovaním menšinových nosičov (dier) do oblasti driftu N⁻ efekt modulácie vodivosti výrazne znižuje-odpor stavu, čo umožňuje IGBT udržiavať nízke saturačné napätie (Vce(sat)) pod vysokým napätím, ktoré je oveľa lepšie ako MOSFET s rovnakým menovitým napätím.

 

Vertikálna štvorvrstvová-štruktúra (P⁺/N⁻/P/N⁺) optimalizuje odolnosť voči napätiu a prúdovú kapacitu
Používa sa vertikálna vodivá štruktúra, kde hrubá, ľahko dotovaná oblasť driftu N⁻ nesie blokovanie vysokého napätia a kolektor P⁺ účinne injektuje otvory, čím sa vyrovnáva odolnosť voči vysokému napätiu a vysoká prúdová zaťažiteľnosť.

 

Ovládanie izolácie brány MOS zjednodušuje obvod vodiča
Brána riadi tvorbu kanálov cez izolačnú vrstvu SiO₂ a môže byť poháňaná výlučne napätím hradla, čo vyžaduje minimálny hnací výkon a eliminuje potrebu nepretržitého základného prúdu ako v BJT.

 

Podporuje vysokú spínaciu frekvenciu a vysokú hustotu výkonu
V porovnaní s tyristormi alebo GTO spínajú IGBT rýchlejšie (až do rozsahu sto kHz). S technologickým pokrokom (ako sú mikro-zákopové a poľné-konštrukcie siedmej{1}}generácie) sa hustota výkonu neustále zlepšuje, vďaka čomu sú vhodné pre vysoko-frekvenčné a vysokoúčinné aplikácie, ako sú nové energetické vozidlá, fotovoltaické meniče a priemyselné frekvenčné meniče.

 

Filozofia dizajnu sa odráža v technologickom vývoji
Od Punch-Through (PT) to Field-Stop (FS): Optimalizácia dopingových a vyrovnávacích vrstiev v oblasti N⁻ na zníženie strát pri prepínaní a vedení.

 

Štruktúra priekopovej brány nahrádza planárnu bránu: Zmenšenie veľkosti jednotky a zvýšenie hustoty buniek, ďalšie zníženie ekvivalentných parametrov Rds(on).

 

Integrácia a inteligencia: Napríklad modul IGBT siedmej-generácie integruje obvody FWD, ovládač a ochranné obvody, čím zvyšuje spoľahlivosť systému.

 

Prieskum materiálov so širokým pásmovým odstupom: Nové materiály ako SiC a GaN aplikované na IGBT novej{0}}generácie majú za cieľ dosiahnuť frekvenciu prepínania na úrovni MHz{{1} a nižšie straty.