Tranzystory IGBT - konkurencja dla MOSFET-ów i BJT

Rys. 1. Tranzystor IGBT-PT

Pierwsze półprzewodnikowe przyrządy mocy zbudowano w latach 40. ubiegłego wieku. Opracowano wtedy m.in. bipolarny tranzystor mocy (BJT). Konstrukcja ta jest dziś dobrze znana, dlatego łatwo jest zaprojektować i zbudować taki przyrząd, co pozwala obniżyć koszty produkcji. BJT, w przeciwieństwie do MOSFET-ów, są przyrządami sterowanymi prądowo, o niskich stratach przewodzenia. Do wad tranzystorów bipolarnych zalicza się natomiast np. niskie częstotliwości przełączania zawężające zakres częstotliwości ich pracy do kiloherców oraz ograniczenie obszaru pracy bezpiecznej przez możliwość wystąpienia dwóch rodzajów przebić.

Pierwsze, lawinowe przebicie zaporowo spolaryzowanego złącza kolektor-baza występuje, gdy zostanie przekroczone dopuszczalne napięcie na kolektorze. Możliwe jest też przebicie cieplne, spowodowane wzrostem mocy strat tranzystora powyżej górnej, dopuszczalnej granicy. Wady te sprawiły, że w większości aplikacji dawniej będących domeną tranzystorów bipolarnych zrezygnowano z nich. Mimo to ciągle znaleźć je można w niektórych urządzeniach np. w statecznikach lamp fluorescencyjnych, elektronicznych układach zapłonowych w pojazdach oraz jako elementy układów odchylania w kineskopach telewizorów i monitorów.

Dominacja tranzystorów bipolarnych trwała do lat 70. ubiegłego stulecia. Wtedy zbudowano pierwsze tranzystory MOSFET, które od konkurencji odróżniała m.in. duża impedancja wejściowa, dodatni współczynnik temperaturowy pozwalający na równoległe łączenie tych tranzystorów, większy obszar pracy bezpiecznej, niewystępowanie przebicia wtórnego oraz możliwość pracy przy wysokich częstotliwościach w zakresie powyżej MHz. Tranzystory bipolarne i MOSFET z czasem zaczęto wykorzystywać powszechnie, np. w napędach, UPS-ach, oświetleniu. Konkurencja pojawiła się dopiero wraz z wprowadzeniem na rynek tranzystorów IGBT.

IGBT vs. MOSFET

Rys. 2. Inwerter solarny z czterema kluczami IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), czyli tranzystor bipolarny z izolowaną bramką, "odziedziczył" po MOSFET-ach m.in. sposób sterowania bramką. Oba typy tranzystorów różnią się jednak rodzajem podłoża - w MOSFET-ach jest to półprzewodnik typu n+, natomiast w IGBT typu p+. Im wyższe napięcie przebicia, tym warstwa n w MOSFETach musi być grubsza, przez co straty przewodzenia w tym typie tranzystorów są duże.

W IGBT natomiast rezystancja warstwy n ma mniejsze znaczenie. Dodatkowa warstwa p+, na której umieszczony jest półprzewodnik typu n, tworzy złącze p-n, którego rezystywność zmienia się i dzięki temu straty przewodzenia w IGBT są mniejsze. W MOSFET-ach prąd jest skutkiem przepływu tylko nośników większościowych (elektronów), tymczasem w IGBT prąd ma charakter bipolarny, tzn. jest wynikiem przepływu także dziur.

Wiąże się z tym problem w czasie wyłączania tranzystora, związany z koniecznością odprowadzenia dziur z obszaru dryfu. Jedynym sposobem jest samoistna rekombinacja nośników mniejszościowych, co wydłuża czas wyłączania oraz zwiększa straty energii (wzrastają straty wyłączania). Jest to też przyczyną tzw. ogona prądu kolektora, zjawiska najczęściej wymienianego wśród wad IGBT.

Wszystko to rzutuje na możliwość wykorzystania IGBT w pewnych aplikacjach. Generalnie jednak w zakresie niskich częstotliwości przełączania straty wyłączania mają mniejsze znaczenie i dlatego lepiej zdecydować się na urządzenie o mniejszych stratach przewodzenia. Stąd np. w napędach silników, UPS-ach i maszynach spawalniczych chętniej wykorzystuje się tranzystory IGBT.

PT vs. NPT

Rys. 3. Przetwornica półmostkowa z szeregowym obwodem rezonansowym

Tranzystory IGBT wykonuje się w dwóch wersjach, tzw. PT (punch-through) oraz NPT (non-punch-through). Te drugie to po prostu "zwykłe" IGBT, natomiast tranzystory typu PT (rys. 1) mają dodatkową warstwę n+, która stanowi bufor sterujący przepływem nośników wstrzykiwanych do obszaru dryfu. Szybkość przełączania oraz napięcie VCE (SAT) w tranzystorach tego typu zależy m.in. od ilości domieszek w buforze. Porównując oba typy tranzystorów IGBT, wskazać można kilka różnic. Na przykład tranzystory NPT mają dodatni współczynnik temperaturowy ze względu na brak ingerencji w czas życia nośników.

Dzięki temu można je łączyć równolegle. PT z kolei mogą mieć dodatni lub ujemny współczynnik temperaturowy, przy czym zazwyczaj szybsze urządzenia mają współczynnik ujemny. Oba typy różnią się także pod względem zależności energii wyłączania od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury energia ta niewiele wzrasta w przypadku tranzystorów NPT. W przypadku tranzystorów PT energia wyłączania wzrasta gwałtownie (w przybliżeniu dwukrotnie przy zmianie temperatury z 25ºC do 150ºC) z powodu wydłużenia czasu życia nośników mniejszościowych.

Efekt ten jest bardziej zauważalny w szybszych IGBT PT. Cechą charakterystyczną NPT jest z kolei wspomniany wcześniej dłuższy czas opadania prądu kolektora, czyli tzw. ogon prądowy wynikający z dłuższego czasu życia nośników w tym typie tranzystorów. PT tymczasem charakteryzuje bardzo krótki czas opadania prądu kolektora, dzięki czemu występują w nich niskie straty energii wyłączania. Jeżeli zaś chodzi o zależność energii włączania od temperatury, to w przypadku tranzystorów obu typów jest ona stała.

To, co jeszcze różni oba typy tranzystorów to odporność na przepięcia występujące w urządzeniach pracujących z dużą szybkością przełączania. Przyczyną jest najczęściej pasożytnicza indukcyjność, która w momencie wyłączenia tranzystora powoduje powstanie w obwodzie przepięcia. Jeżeli jego amplituda jest wystarczająco duża, prowadzić może do przebicia złącza dren-źródło. Dzięki grubszej warstwie n o dużej rezystancji na zjawisko to bardziej odporne są tranzystory IGBT NPT.

Ich właściwości pod tym względem są porównywalne z odpornością tranzystorów MOSFET, w których ze względu na dużą częstotliwość przełączania wprowadza się specjalne rozwiązania ograniczające zaburzenia tego typu. Tranzystory PT mają pod tym względem gorsze właściwości. Ich odporność maleje wraz ze wzrostem częstotliwości pracy. Tranzystory NPT charakteryzuje też większa odporność na zwarcie, charakteryzowana tzw. SCWT (Short Circuit Withstand Time). Także ze względu na grubszą warstwę n, która pozwala ograniczyć prąd zwarciowy ten typ IGBT ma dłuższy czas SCWT.

IGBT opanowują rynek

Rys. 4. Przetwornica quasi-rezonansowa

Półprzewodnikowe przyrządy mocy znaleźć można w układach sterowania silnikami, zarówno w dużych przemysłowych maszynach, jak i w narzędziach ręcznych, a także w zasilaczach, ładowarkach, maszynach spawalniczych oraz urządzeniach użytkowych. Wszędzie tam dominują dziś tranzystory IGBT. Ważnym rynkiem dla tej grupy przyrządów w ostatnich latach stały się też odnawialne źródła energii. Tranzystory te wykorzystuje się do konstrukcji inwerterów do przydomowych elektrowni wiatrowych i słonecznych.

Przetwarzają one napięcie stałe np. z modułu słonecznego na napięcie przemienne, które jest wykorzystywane dalej do zasilania urządzeń domowych i oświetlenia lub jest odsprzedawane do publicznej sieci energetycznej. Typowa realizacja inwertera solarnego obejmuje topologię pełnomostkową z czterema kluczami IGBT (rys. 2). Półprzewodnikowe przyrządy mocy znaleźć możemy też np. we wzmacniaczach audio, w regulatorach oświetlenia i sprzętach AGD.

O ile we wzmacniaczach audio, ze względu na duże wzmocnienie, częściej wykorzystuje się MOSFET-y, to w pozostałych urządzeniach dominują IGBT. Przykładem urządzenia z branży AGD, dla którego w ofercie wielu producentów półprzewodników znajdziemy specjalnie projektowane IGBT, są kuchenki indukcyjne.

IGBT w technologii "Trenchstop" Od momentu wprowadzenia tranzystorów IGBT na rynek technologię ich produkcji modyfikowano w poszukiwaniu rozwiązań, które mogłyby jeszcze poprawić parametry tych przyrządów. Zaangażowali się w to czołowi producenci elektroniki. Przykładem jest Infineon, który w swojej ofercie ma tranzystory wykonywane w technologii stanowiącej połączenie dwóch technik: "fieldstop" i "trench gate". To połączenie pozwala uzyskać optymalne wartości kluczowych parametrów tranzystora. "Fieldstop" Rys. a. Przekroje tranzystorów IGBT w technologii NPT (po lewej) oraz w "fieldstop" (po prawej). Obok wykresy zmian pola elektrycznego w stanie zatkania w obrębie podłoża każdej struktury Na rysunku a przedstawiono przekrój przez strukturę tranzystora IGBT wykonanego w tradycyjnej technologii NPT (po lewej) oraz w technologii "fieldstop" (po prawej). Przyrządy pierwszego typu są wykonywane w postaci struktury o warstwie n o znacznej grubości (np. 200μm w przypadku tranzystorów 1200V oraz 100μm w przypadku IGBT 600V) w porównaniu do tranzystorów typu drugiego. Obok przekrojów zamieszczono też wykres zmienności pola elektrycznego w stanie zatkania w obrębie podłoża każdej struktury. Warstwa n jest słabo domieszkowana i dzięki temu w czasie wyłączania tranzystora pole elektryczne stopniowo maleje do zera w obrębie tej struktury. Zwiększenie rezystancji tej warstwy mogłoby jednak negatywnie wpłynąć na pozostałe parametry tranzystora. Nie można też dowolnie zmieniać jej grubości, gdyż wpływa to na napięcie VCE(SAT), decydujące o stratach w czasie przewodzenia. Im grubsza jest ta warstwa, tym większe napięcie nasycenia. W związku z tym w celu poprawy właściwości tranzystora wprowadza się dodatkową warstwę półprzewodnika typu n, tzw. obszar "fieldstop", który zaznaczono na rysunku po prawej. W obszarze tej odpowiednio domieszkowanej warstwy pole elektryczne gwałtownie maleje do 0. Dzięki temu właściwości blokujące tranzystora nie zależą już od grubości warstwy wyższej, która może w związku z tym być znacznie cieńsza. Skutkuje to niższym napięciem nasycenia i mniejszymi stratami przewodzenia. Technika polegająca na wprowadzeniu warstwy "fieldstop" ma jeszcze jedną zaletę. IGBT można dzięki tej warstwie przełączać szybciej bez efektu tzw. ogona prądowego niż tranzystory wykonane tradycyjnie. Dzięki temu straty przełączania są mniejsze, ponieważ ogon prądowy wnosi nieznaczący wkład. "Trench gate" Rys. b. Tranzystory IGBT: w technologii tradycyjnej (po lewej) oraz wykonany jako połączenie techniki "fieldstop" oraz "trench gate" Napięcie nasycenia zależy od właściwości kanału tranzystora. Spadek napięcia na kanale jest odwrotnie proporcjonalny do szerokości kanału oraz proporcjonalny do jego długości. Kanał powinien w związku z tym być tak krótki, jak to tylko możliwe, by uzyskać jak najniższe straty przewodzenia. Z drugiej strony wymagana jest pewna minimalna długość kanału, konieczna, by zapewnić odpowiednią wytrzymałość tranzystora na napięcie przebicia oraz by ograniczyć prąd zwarciowy, który może urządzenie uszkodzić. Na rysunku b przedstawiono przekrój przez strukturę tranzystora wykonanego metodą tradycyjną oraz strukturę w tzw. technologii "trench gate", zawierającą również warstwę "fieldstop" (po prawej). Różnica polega na konstrukcji bramki, która w technologii "trench gate" jest zrealizowana nie w poziomie, ale pionowo. Oznacza to, że kanał można zrealizować w taki sposób, by uzyskać niższe napięcia nasycenia przy zachowaniu odpowiednio wysokiego napięcia przebicia.

IGBT w kuchenkach indukcyjnych

Rys. 5. Wielotranzystorowy moduł IGBT firmy Fuji

Charakterystyczną cechą kuchenek tego typu jest wysoka sprawność (rzędu 80%) w porównaniu do np. kuchenek gazowych o sprawności około 40%. Wynika to z zasady działania płyt tego typu, w których wykorzystując zjawisko indukcji elektromagnetycznej, wywołuje się w naczyniu przepływ nagrzewających je prądów indukcyjnych. W płytach indukcyjnych wykorzystuje się dwie topologie: z przetwornicą półmostkową z szeregowym obwodem rezonansowym (rys. 3) oraz z przetwornicą quasirezonansową (rys. 4.).

W obu przypadkach napięcie sieci jest przetwarzane na napięcie stałe w pełnomostkowym prostowniku. Następnie napięcie to jest przetwarzane w sygnał zmienny o wysokiej częstotliwości w falowniku złożonym w przypadku topologii półmostkowej z kluczy IGBT - S1 i S2, którymi steruje się za pośrednictwem mikrokontrolera. W czasie przełączania element indukcyjny wytwarza pole elektromagnetyczne o dużej częstotliwości, które przenika ściany naczynia na płycie, generując w nich prądy wirowe rozgrzewające pojemnik.

Napięcie w układzie o topologii półmostkowej jest ograniczone do poziomu napięcia wejściowego, co pozwala wybrać tranzystory IGBT o mniejszym napięciu. Sterowanie układem półmostkowym jest jednak dosyć skomplikowane. Do zalet topologii quasi-rezonansowej z kolei zaliczyć można to, że wykorzystuje tylko jeden klucz IGBT, co zmniejsza obszar, jaki obwód zajmuje na płytce, a także rozmiar radiatora. Wadą tej konstrukcji jest natomiast to, że napięcie rezonansowe może przekroczyć wartość wejściowego napięcia stałego.

W związku z tym należy korzystać z tranzystorów o większym napięciu przebicia, a tym samym droższych. Przykładem tranzystorów, które zaleca są do zastosowania w płytach indukcyjnych (a także np. w kuchenkach mikrofalowych), są produkty m.in. firmy Fairchild, np. tranzystor FGA20N120FTD wykonany w tzw. technologii "field stop trench", która pozwala m.in. zredukować grubość tranzystora przy zachowaniu dużego napięcia przebicia. Podobne rozwiązanie w technologii "TrenchStop" (patrz: ramka) wykorzystuje także np. firma Infineon, która również oferuje tranzystory IGBT przeznaczone do płyt indukcyjnych, m.in. polecane do topologii półmostkowej tranzystory IHW30N60T, IHW40N60R oraz INHW30N60T.

Moduły IGBT w samochodach hybrydowych

Rys. 6. Podział na grupy aplikacji, w których dominują konkretne typy przyrządów stopniowo zaciera się

Chociaż BJT ciągle możemy spotkać w pojazdach, np. w elektronicznych układach zapłonowych i w regulatorach napięcia, tranzystory IGBT zaczynają dominować również na rynku motoryzacyjnym. Przykładem są samochody hybrydowe, w których silnik elektryczny wspomaga silnik spalinowy w czasie rozruchu i w zakresie niskich prędkości, czyli wtedy, gdy silnik spalinowy ma niską sprawność. Pracują w nich inwertery, w których wykorzystuje się zintegrowane wielotranzystorowe moduły IGBT.

Na rysunku 5 przedstawiono schemat blokowy takiego modułu IGBT produkcji Fuji Electric. Ze względu na specyfikę warunków panujących wewnątrz pojazdu parametrem krytycznym dla pracy półprzewodnikowych przyrządów mocy jest temperatura. Np. gdy moduł jest narażony na gwałtowne zmiany temperatury, często występują naprężenia termiczne w spoiwie łączącym tranzystory z podłożem. Z tego powodu powstawać mogą pęknięcia.

Fuji rozwiązało ten problem, zmniejszając grubość struktury wewnątrz modułu tranzystorów, dzięki czemu odkształca się ona elastycznie w reakcji na szok termiczny. Wówczas pęknięcia w spoiwie występują rzadziej. Ponadto w pojazdach hybrydowych realizuje się tzw. hamowanie odzyskowe, które pozwala energię normalnie traconą w czasie hamowania na ciepło przekształcić w energię elektryczną, która jest dalej wykorzystywana.

Możliwość odzyskania jak największej ilości energii elektrycznej w czasie krótkiego czasu hamowania od momentu zmniejszenia prędkości do całkowitego zatrzymania się pojazdu jest niezwykle ważna i dlatego przyrządy mocy powinny się charakteryzować możliwością przewodzenia prądów o bardzo dużym natężeniu przez krótki czas. Z powyższych względów istotne jest też wyposażenie modułu w odpowiednie układy kontrolne, np. moduł Fuji zawiera układ pomiaru prądu oraz diodę pomiarową do kontroli temperatury oraz zabezpieczenia np. układy ograniczania prądu.

Podsumowanie

Z rysunku 6 wynika, że przez lata ustalił się podział na grupy aplikacji, w których dominują konkretne typy półprzewodnikowych przyrządów mocy. Obecnie jednak sytuacja zmienia się i w większości urządzeń można wykorzystać tranzystory IGBT. Dzięki ich właściwościom, a także dlatego, że producenci dostarczają tranzystory tego typu o parametrach wymaganych w konkretnych zastosowaniach, IGBT zdobywają kolejne dziedziny.

Przykładem urządzeń, w których IGBT wypierają dotychczas wykorzystywane urządzenia, są regulatory oświetlenia. Ściemniacze z IGBT zastępują niegdyś popularne układy z triakami. Jest to dowodem na to, że być może historia znów się powtórzy i nowa technologia w przyszłości zastąpi starsze technologie półprzewodnikowych przyrządów mocy.

Monika Jaworowska