Электронная аппаратура. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Силовые модули

И. К. Никифоров 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА.  
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ  
С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ.  
СИЛОВЫЕ МОДУЛИ  
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

УДК 621.382.33 
ББК 32.853.3; 32.859 
        Н62 
 
Рецензент: 
канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной  
электроники ФБГОУ ВО «Чувашский государственный 
университет им. И. Н. Ульянова» Г. В. Малинин 
 
 
 
Никифоров, И. К. 
Н62  
Электронная аппаратура. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Силовые модули : учебное пособие / И. К. Никифоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 516 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1242-1 
  
Рассматриваются биполярные транзисторные структуры с изолированным затвором во всем их разнообразии как полупроводниковых 
приборов, их особенности и применение в устройствах электронной 
аппаратуры. Приводится ряд примеров схем, рекомендации по применению в силовой преобразовательной технике и мощных источниках 
электропитания.  
Для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, занимающихся разработкой силовых электронных преобразовательных устройств и мощных источников вторичного электропитания.  
 
 
УДК 621.382.33 
ББК 32.853.3; 32.859 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1242-1 
” Никифоров И. К., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 

Обозначения физических величин 
 
 
C 
электрическая емкость
с 
удельная теплоемкость
Ɯ 
напряженность внешнего электрического поля
EF 
энергия уровня Ферми
Eg 
энергия запрещенной зоны
Eпр 
электрическая прочность материала
ê 
условно свободный электрон
eL 
ЭДС самоиндукции
eТ 
термоЭДС 
êф 
фотоэлектрон
f 
частота тока
h 
постоянная Планка
hv 
фотон 
i 
электрический ток
j 
плотность электрического тока
k 
постоянная Больцмана (если не указано иное в тексте)
l 
длина 
М 
коэффициент размножения носителей заряда
me 
эффективная масса электрона
mu 
эффективная масса «дырки»
na 
концентрация акцепторных зарядов (дополнительных «дырок»)
ne 
концентрация электронов
nd 
концентрация донорных зарядов (дополнительных электронов)
nl 
концентрация «ловушек» в структуре кристаллической решетки
ni 
концентрация свободных носителей зарядов в собственном полупроводнике i-типа
nu 
концентрация «дырок»
Р 
электрическая мощность
Q 
электрический заряд на обкладках конденсатора
qe 
заряд электрона
r 
дифференциальное электрическое сопротивление
R 
электрическое сопротивление или радиус, согласно тексту
R~ 
сопротивление переменному току
Rth 
тепловое сопротивление кристалл௅основание
s 
площадь сечения
sк 
площадь кристалла
Т 
абсолютная температура
t 
время 
tgG 
тангенс угла диэлектрических потерь 
3 

U 
электрическое напряжение
Ud 
действующее значение напряжения
û 
«дырка» (или протонный заряд)
Uобр обратное приложенное напряжение
Uпр прямое напряжение
DТ 
температурный коэффициент 
J 
коэффициент рекомбинации (или по смыслу текста) 
O 
теплопроводность материала (или длина волны, или показатель 
интенсивности отказов; см. смысл текста)
P 
магнитная проницамость 
Pе 
подвижность электронов 
Pi 
подвижность ионов 
Pn 
подвижность зарядов в полупроводнике п-типа 
Pp 
подвижность зарядов в полупроводнике р-типа 
Pu 
подвижность «дырок» 
W 
постоянная времени какого-либо процесса 
Uv 
удельное объемное электрическое сопротивление 
' 
глубина проникновения тока 
Q 
частота электромагнитных колебаний 
İ 
диэлектрическая проницаемость
İ0 
диэлектрическая постоянная
ȡ 
удельное электрическое сопротивление 
ȡn 
удельное электрическое сопротивление n-области
ȡр 
удельное электрическое сопротивление р-области
ȡs 
удельное поверхностное электрическое сопротивление
X 
скорость движения электрона 
Z 
циклическая частота 
 
Условные сокращения 
 
 
ААС 
Advanced Active Clamping (функция активного ограничения)
BIGT 
Bimode Insulated Gate Transistor ௅ двухрежимный управляемый по затвору транзистор
CBI 
Convertor/Brake/Invertor
ССС 
Collector Clamp Circuit
CMTI 
Common Mode Transient Immunity 
CSTBT 
Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor
DBC 
Direct Bonded Copper (дословно: медь с прямым соединением)
DCB 
Direct Copper Bonded (дословно: прямо присоединенная 
медь; технология толстопленочного осаждения меди)
4 

DGC 
Dynamic Gate Control (динамическое управление затвором)
DLB 
Direct Lead Bonding (прямое сварное соединение выводов)
DPWM 
Discontinuous 
Pulse 
Width 
Modulation 
(прерывистая
широтно-импульсная модуляция) 
DSCP 
Dynamic Short Circuit Protection 
E-LPT 
Enhanced Light Punch Through IGBT (дословно: улучшенный
пробой светом насквозь)
ЕР 
Enhanced Planar (дословно: усовершенствованный плоский)
ЕТ 
Enhanced-Trench (дословно: улучшенная траншея)
FRD 
Fast Recovery Diode (быстро восстанавливающийся диод)
FS SPT 
Field Stop Soft Punch Through
GPD 
General-Purpose Drive (привод общего назначения)
HiGT 
High technology (дословно: высокие технологии)
HV 
High-Voltage (высоковольтный) 
HVDC 
High-Voltage DC Insert (высоковольтные «вставки» постоянного тока)
HEV 
Hybrid Electric Vehicle
IEGT 
Injection Enhanced Gate Transistor 
IGBT 
Insulated Gate Bipolar Transistor 
IMB 
Insulated Metal Baseplate (дословно: изолированная металлическая опорная плита (основание))
IPM 
Intelligent power module ௅ интеллектуальный силовой модуль 
ISDS 
IGBT Status and Diagnostic System 
LiPT 
Low Injection Punch Through ௅ слабо инжектированный
Punch-Through; Punch-Through ௅ смыкание р-n-перехода, 
технология PT
LFC 
Low-temperature Fireable Ceramics 
LPT 
Light Punch Through
LTCC 
Low Temperature Co-fired Ceramics ௅ низкотемпературная 
обожженная керамика, или стеклокерамика
MAG 
Metal Active Gas
MIG 
Metal Inertgas Gas
ММА 
Manual Metal Arc.
MMC 
Metal Matrix Composite или Multi-level Converters (см. по
тексту)
MOSFET Metall-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
MPD 
Mega Power Dual (силовые модули большой мощности)
MPT 
Micro-Pattern Trench (дословно: траншея с микрорисунком)
MPPT 
Maximum power point tracking
NPC 
Neutral Point-Clamp(ed) (ing) ௅ схема с общей точкой
5 

NPT 
Non Punch Through (дословно: не пробивает насквозь)
ОСР 
Over Current Protection (буквально: перегрузка по току)
PCM 
Phase Change Material
PC-TIM Phase Change Thermal Interface Material (дословно: материал 
термоинтерфейса с фазовым переходом)
PCU 
Power Control Unit
PPI 
Press-Pack IGBT (IGBT прижимной дисковой конструкции)
PT 
Punch Through 
RB-IGBT Reverse Blocking IGBT 
RBSOA Reverse Bias Safe Operating Area 
RFC 
Relaxed Field Cathode (дословно: катод с ослабленным полем, т. е. обедненный носителями слой)
RTCC 
Real Time Current Control
SCWT 
Short circuit withstand time
SiC-SBD SiC Schottky barrier diode (SiC диод Шоттки)
SEMiX 
Силовой модуль с прессованной посадкой разработки фирмы SEMIKRON
SEPR 
Single Ended Parallel Resonant Inverter ௅ параллельный 
резонансный инвертор с одним выходом
SFM 
Solderable Front Metal
SKiiP 
Semicron integrated intelligent Power
SKiN 
Скин-технология ௅ способ вакуумной упаковки
SLC 
SoLid Cover ௅ жесткое покрытие 
SOA 
Safe Operating Area (область безопасной работы)
SOI 
Silicon On Insulator (кремний на изоляторе)
SPT 
Soft Punch Through
SSD 
Soft Shut Down (режим плавного отключения)
TIG 
Tungsten Inert Gas
TIM 
Thermal Interface Material (теплопроводящие материалы)
TGFS 
Trench Gate Field Stop
TSPT 
Trench SPT
UIS 
Unclamped Inductive Switching
ULSI 
Ultra Large Scale Integration ௅ сверхмасштабная интеграция
UPS 
Uninterruptible power systems (источник бесперебойного питания)
UVLO 
Under Voltage LockOut (снижение напряжения управления)
WBG 
Wide Band Gap (ПП с широкой запрещенной зоной)
ZCS 
Zero-Current-Switching ௅ отключение при нулевом токе
ZVS 
Zero Voltage Switching ௅ отключение при нулевом напряжении (режим «мягкого» переключения)
АБС 
Акрибутадиенстирол
6 

БМТ 
(BPT) 
Биполярный мощный транзистор (Bipolar Power Transistor) 
БСЭ 
Большая Советская энциклопедия 
ВАХ 
Вольт-амперная характеристика 
ВЧ 
Высокие частоты (высокочастотный)
ВЭУ 
Ветроэнергетическая установка 
ДСЦ 
Демпферно-снабберная цепь (цепочка) 
ИВЭП 
Источники вторичного электропитания
ИК 
Инфракрасный
ИМС 
Интегральная микросхема
ИП 
Источник питания
ИЭК 
Идеальный электронный ключ 
КЗ 
Короткое замыкание
ККМ 
Корректор коэффициента мощности (нагрузки)
КМОП 
Контакт-металл-окисел-полупроводник
КН 
Компаратор напряжения
КП 
Коллекторный переход (коллектор௅база) в ТБТ
КТР 
Коэффициент теплового расширения
МДП 
Металл-диэлектрик-полупроводник
МНК 
Метод(ы) неразрушающего контроля
МОП 
Металл-оксид-полупроводник
МОП ПТ МОП полевой транзистор
ОБР 
Область безопасной работы
ОКР 
Опытно-конструкторские работы 
ООЗ 
Область объемного заряда
ОС 
Обратная связь
ОУ 
Операционный (интегральный) усилитель
ПНО 
Потенциально ненадежные образцы
ПП 
Полупроводник, полупроводниковый
РЭА 
Радиоэлектронная аппаратура
СВЧ 
Сверхвысокие(ой) частоты
СИТ 
Статический индукционный транзистор
СЗП 
Схема защиты от перенапряжения
СУ 
Схема (система) управления
СФ 
Спецфакторы
СЭА 
Силовая электронная аппаратура 
СЭУ 
Солнечные энергетические установки
ТБТ 
Традиционный биполярный транзистор
ТВМ 
Термоволновой микроскоп
ТЗ 
Техническое задание
ТК 
Температурный коэффициент
7 

ТКН 
Температурный коэффициент напряжения
ТКР 
Температурный коэффициент расширения
ТКС 
Температурный коэффициент сопротивления
ТПМ 
Теплопроводящий материал
ТУ 
Технические условия
ТЭМ 
Термоэлектрические модули
ТЭС 
Термоэлектрические сборки
УГО 
Условное графическое обозначение
УЗС 
Ультразвуковая сварка
УФ 
Ультрафиолетовый
ФНЧ 
Фильтр низких (нижних) частот 
ЧРП 
Частотно-регулируемый привод 
ШЗП 
Широкозонные ПП
ШИМ 
Широтно-импульсная модуляция 
ЭДП 
Электронно-дырочный переход 
ЭК 
Электронный ключ
ЭМП 
Электромагнитные помехи
ЭМС 
Электромагнитная совместимость
ЭП 
Эмиттерный переход (эмиттер௅база) в ТБТ
8 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Данное учебное пособие продолжает серию книг, объединенных под общим заглавием «Электронная аппаратура». 
В 1-й книге были рассмотрены основы электроники, радио- 
и электротехнические материалы и изделия на их основе; далее 
при ссылке на неё ௅ 1-я кн. серии. 
Во 2-й книге были рассмотрены резисторы, предохранители, конденсаторы, применяемые как в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), так и в силовой электронной аппаратуре (СЭА) и 
мощных источниках вторичного электропитания (ИВЭП); далее 
ссылка на неё ௅ 2-я кн. серии. 
В 3-й книге рассмотрены основы магнитоэлектроники, индуктивные компоненты и элементы СЭА и ИВЭП; аналогично, 
ссылка на неё ௅ 3-я кн. серии. 
В 4-й книге рассмотрены основные материалы и технологии, применяемые в микро- и наноэлектронике и некоторые 
технологии для устройств силовой электроники; далее при 
ссылке на неё ௅ 4-я кн. серии. 
В 5-й книге рассмотрены диодные и тиристорные структуры, особенности их применения в СЭА и ИВЭП; далее при 
ссылке на неё ௅ 5-я кн. серии.  
В 6-й книге рассмотрены биполярные и полевые транзисторы, разнообразие их технологий и особенности применения в 
СЭА и ИВЭП; далее при ссылке на нее ௅ 6-я кн. серии. 
Для понимания материала данного учебного пособия необходимо иметь базовые знания по характеристикам и свойствам 
полупроводниковых материалов, которые были рассмотрены в 
1-й кн. серии (см. подразд. 4). 
Основная задача данного учебного пособия - показать многообразие биполярных транзисторных структур с изолированным затвором, их особенности при применении в узлах и модулях силовых электропреобразовательных установках.  
Приводимые ссылки, не только на книги, но и на статьи, 
должны способствовать выработке у студентов самостоятельного 
изучения и нахождения материала по интересуемым их вопросам.  
9 

1. IGBT. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ И ТЕХНОЛОГИИ СТРУКТУР 
 
1.1. Общие вопросы 
 
Транзистор происходит от английского слова transistor 
(англ. transforme of resistance). В общем случае различают три 
больших класса транзисторов, исходя из основной технологии 
изготовления и принципу работы: биполярные, униполярные 
(полевые) комбинированные структуры. Указанные транзисторы рассмотрены в 6-й кн. серии. 
В данном учебном пособии рассматриваются разновидности биполярных транзисторов с изолированным затвором; общепринятое международное сокращенное обозначение IGBT ௅ 
Insulated Gate Bipolar Transistor. Эти транзисторы (как будет 
видно далее) сочетают по своей структуре свойства биполярных 
и полевых структур.  
На схемах электрических принципиальных все типы транзисторов (независимо от типа проводимости и технологий) обозначаются буквами VT. Условное графическое обозначение 
(УГО) IGBT на схемах схоже с выходной ௅ силовой ௅ частью с 
традиционными биполярными транзисторами (в 6-й кн. серии, 
обозначен сокращенно как ВРТ), отличие по входной части ௅ 
вместо базы используется изолированный от выходной части 
затвор. Здесь также по аналогии используются сокращения 
электрических выводов прибора: коллектор (англ. Collector; сокращенно С), эмиттер (англ. Emitter; сокращенно Е), затвор 
(англ. Gate; сокращенно G). Соответственно используются сокращения наименований электродов при обозначении электрических величин в отдельной части, например, напряжение в цепи коллектор௅эмиттер Uкэ (или UCE); напряжение в цепи затвор௅эмиттер Uзэ (или UGE) и т. д. Приведем типовые УГО IGBT 
в виде дискретных (в отдельном корпусе) приборов и в виде интегральных структур (формируемых на ПП-подложках чипов по 
интегральной технологии): 
௅ дискретный прибор
 или
 с источником питания по коллектору положительного напряжения и управлением 
10