Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT, angl. Insulated-gate bipolar transistor , IGBT ) je tříelektrodové výkonové polovodičové zařízení , které kombinuje dva tranzistory v jedné polovodičové struktuře: bipolární (tvoří výkonový kanál) a polní (tvoří řídicí kanál) [ 1] . Používá se především jako výkonný elektronický klíč ve spínacích zdrojích , měničích , v systémech řízení elektrických pohonů .
Kaskádování dvou typů tranzistorů umožňuje kombinovat jejich výhody v jednom zařízení: výstupní charakteristiky bipolárního (velké přípustné provozní napětí a odpor otevřeného kanálu, úměrné proudu, a ne čtverci proudu, jako v poli ) a vstupní charakteristiky pole (minimální náklady na kontrolu). Řídicí elektroda se nazývá hradlo, jako tranzistor s efektem pole, další dvě elektrody se nazývají emitor a kolektor, jako bipolární [2] [3] .
Jak jednotlivé IGBT, tak na nich založené výkonové sestavy (moduly) jsou vyráběny např. pro řízení třífázových proudových obvodů.
Až do 90. let se jako výkonové polovodiče kromě tyristorů používaly bipolární tranzistory . Jejich účinnost je omezena několika nevýhodami:
S příchodem tranzistorů s efektem pole , vyrobených pomocí technologie MOS ( angl. MOSFET ), se situace změnila. Na rozdíl od bipolárních tranzistorů s efektem pole:
MOSFETy se snadno ovládají, jako je tomu u IGBT, a mají vestavěnou svodovou diodu pro omezení náhodných proudových rázů. Typickými aplikacemi pro tyto tranzistory jsou spínané měniče napětí s vysokými pracovními frekvencemi, audio zesilovače (tzv. třída D ).
První vysoce výkonné tranzistory s efektem pole byly vytvořeny v SSSR ve Výzkumném ústavu Pulsar (vývojář - V.V. Bachurin) v roce 1973 a jejich klíčové vlastnosti byly studovány ve smolenské pobočce MPEI (vedoucí - V.P. Dyakonov ) [4] . V rámci těchto prací byl v roce 1977 navržen kompozitní tranzistor, ve kterém je výkonný bipolární tranzistor řízen izolovaným hradlovým tranzistorem s efektem pole. Ukázalo se, že výstupní proudy a napětí kompozitních struktur jsou určeny bipolárním tranzistorem, zatímco vstupní jsou určeny tranzistorem s efektem pole. Současně není bipolární tranzistor v klíči na bázi kompozitního tranzistoru saturován, což výrazně snižuje zpoždění vypnutí [5] a určuje výhody takových zařízení, jako jsou výkonové spínače [6] . Polovodičové zařízení zvané „pobistor“ obdrželo autorský certifikát SSSR č. 757051. Je vyrobeno ve formě jediné struktury obsahující výkonný bipolární tranzistor, na jehož povrchu je umístěn tranzistor s efektem pole s izolovaným hradlem ve tvaru V je vytvořen [7]
První průmyslový vzor IGBT byl patentován International Rectifier v roce 1983. Později, v roce 1985, byly IGBT vyvinuty se zcela plochou strukturou (bez V-kanálu) a vyšším provozním napětím. To se stalo téměř současně v laboratořích General Electric ( Schenectady , New York) a RCA ( Princeton , New Jersey). Zpočátku se zařízení jmenovalo COMFET, GEMFET nebo IGFET. V 90. letech byl přijat název IGBT. První IGBT si nezískaly oblibu kvůli vrozeným vadám – pomalému přepínání a nízké spolehlivosti. Druhá (devadesátá léta) a třetí (moderní) generace IGBT se těchto neřestí obecně zbavila.
IGBT kombinuje výhody dvou hlavních typů tranzistorů:
Rozsah použití je od desítek do 1200 ampér v proudu, od stovek voltů do 10 kV v napětí. V rozsahu proudů do desítek ampér a napětí do 500 V je vhodné použít konvenční MOS - (MIS-) tranzistory a ne IGBT, protože tranzistory s efektem pole mají při nízkých napětích menší odpor.
Hlavní aplikací IGBT jsou invertory , spínací regulátory proudu, frekvenční měniče .
IGBT se široce používají ve zdrojích svařovacího proudu, při řízení výkonného elektrického pohonu, včetně městské elektrické dopravy.
Použití modulů IGBT v systémech řízení trakčních motorů umožňuje (ve srovnání s tyristorovými zařízeními) poskytovat vysokou účinnost , vysokou plynulost stroje a možnost využití rekuperačního brzdění téměř při jakékoli rychlosti.
IGBT se používají při práci s vysokým napětím (více než 1000 V ), vysokou teplotou (více než 100 °C) a vysokým výstupním výkonem (více než 5 kW ). IGB tranzistory se používají v obvodech řízení motoru (při pracovní frekvenci nižší než 20 kHz ), nepřerušitelných zdrojích napájení (s konstantní zátěží a nízkou frekvencí) a svařovacích strojích (kde je vyžadován vysoký proud a nízká frekvence - až 50 kHz ).
IGBT a MOSFETy zaujímají střední výkonový a frekvenční rozsah, částečně se vzájemně "překrývají". Obecně platí, že MOS jsou nejvhodnější pro vysokofrekvenční nízkonapěťové stupně a IGBT jsou nejvhodnější pro vysokonapěťové výkonové stupně.
V některých případech jsou IGBT a MOSFETy zcela zaměnitelné, charakteristika pinoutu zařízení a řídicího signálu obou zařízení jsou obvykle stejné. IGBT a MOSFETy vyžadují 12-15V k úplnému zapnutí a nepotřebují záporné napětí k vypnutí jako hradlový tyristor . Ale "napětím řízeno" neznamená, že v obvodu hradla není žádný proud, když je IGBT přepnuto. Hradlem IGBT (stejně jako tranzistoru MOS) pro řídicí obvod je kondenzátor s kapacitou dosahující jednotek nanofaradů (u výkonných zařízení), který určuje pulsní charakter hradlového proudu. Budič brány musí být schopen rychle nabít a vybíjet tuto kapacitu, aby bylo zajištěno rychlé spínání tranzistoru.