BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT
description
Transcript of BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT
![Page 1: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/1.jpg)
BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT
(insulated gate bipolar transistor)
![Page 2: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/2.jpg)
Ako poznajete MOSFET, poznajete i IGBT. Jedina je razlika u tome što je na n+-sloj dodan p+-sloj, sada se n+-sloj naziva razdvojni sloj.
kanalno područje
driftno područje, razdvojni sloj, injektirajući sloj
![Page 3: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/3.jpg)
Odmah se uočava da IGBT ima beznačajna zaporna svojstva, jer je probojni napon n+-p+ prijelaza ne veći od 50 V. p+-područje injektira šupljine u n–-područje i time smanjuje pad napona u stanju vođenja.
Ovo je simbol n-kanalnog IGBT-a. Strjelica je na strani odvoda, usmjerena je prema kanalnom području. Ukazuje da je u stanju vođenja p+-područje injektirajuće područje, tj. da injektira šupljine prema kanalu. Zato je IGBT poznat i pod nazivom COMFET (conductivity-modulated field effect transistor).
![Page 4: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/4.jpg)
On pokazuje da se tokom struje upravlja poljem, a da u toku struje sudjeluju i elektroni i šupljine.
Ostali nazivi za IGBT su:
– IGT (insulated gate transistor),
– bipolarni MOS tranzistor,
– GEMFET (od General Electric).
IGBT ujedinjuje dobra svojstva bipolarnog tranzistora i MOSFET-a.
Meni se više dopada ovaj simbol:
![Page 5: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/5.jpg)
Još o strukturi
– Struktura ima parazitni tiristor. Ovaj tiristor ne smije uklopiti, u protivnom IGBT bi izgubio isklopna svojstva. Kratki spoj kanalnog područja i uvodnog n+-područja spriječava uklapanje parazitnog tiristora.
![Page 6: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/6.jpg)
– Razdvojni n+-sloj nije bitan za rad IGBT-a. Neki IGBT-ovi ga nemaju (NPT-IGBT, non-punch-through (panč) IGBT; simetrični IGBT), a neki imaju (PT-IGBT, punch-through IGBT; asimetrični IGBT). No, razdvojni n+-sloj omogućuje uže n–-područje (smanjuje pad napona u stanju vođenja) time što onemogućuje širenje zone prostornog naboja prema n+-području.
![Page 7: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/7.jpg)
V-I karakteristike (izlazne karakteristike)
Ako nema razdvojnog sloja n+-sloja, probojni napon u blokirnom smjeru u načelu je jednak probojnom naponu u zapornom smjeru.
![Page 8: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/8.jpg)
ID-VGS karakteristika (prijenosna karakteristika)
Prijenosna karakteristika jednaka je onoj u MOSFET-a. Kod većih struja je linearna. Ako je napon VGS manji od napona praga, IGBT je u stanju blokiranja. Maksimalni dopušteni VGS obično ograničuje maksimalna dopuštena struja ID.
![Page 9: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/9.jpg)
Stanje blokiranja (VGS < VGS(th))
Blokirni napon preuzima p-n– prijelaz. Kod PT-IGBT-a n– područje je oko dva puta uže nego kod NPT-IGBT-a.
![Page 10: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/10.jpg)
Stanje vođenja (VGS > VGS(th))
p+-područje injektira šupljine. U driftnom n–-području šupljine se kreću i driftom i difuzijom. Kroz kanal (inverzioni sloj) teče struja elektrona.
![Page 11: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/11.jpg)
Osnovni diskretni model IGBT-a
Ovaj model prikazuje IGBT kao Darlingtonov spoj pn–p+ tranzistora i MOSFET-a. Bipolarni tranzistor je glavni tranzistor, a MOSFET upravljački.
n–p
p+
VJ1
![Page 12: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/12.jpg)
U poređenju s konvencionalnim Darlingtonom, upravljački MOSFET vodi veći dio struje. On time spriječava uklapanje parazitnog tiristora.
Pad napona u stanju vođenja, na temelju nadomjesne sheme, iznosi:
kanaldrift1(on) RIVVV DJDS
Pad napona na p+n+ prijelazu J1 iznosi 0,7 – 1,0 V. Pad napona u n–-području Vdrift odgovara padu napona u središnjem području učinske diode, i približno je konstantan. Mnogo je manji nego kod MOSFET-a. Razlog je povećanje vodljivosti driftnog područja. Pad napona u kanalu usporediv je s padom napona u kanalu MOSFET-a.
![Page 13: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/13.jpg)
Spriječavanje uklapanja parazitnog tranzistora
![Page 14: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/14.jpg)
Lateralni tok šupljina propusno polarizira pn+ prijelaz (J3) i izaziva uklapanje parazitnog tiristora. Lateralni tok šupljina u kanalnom p-području je izrazit, jer šupljine privlači negativni naboj u kanalu. Najveća propusna polarizacija pn+ prijelaza je na mjestu gdje inverzioni sloj dotiče n+-područje.
![Page 15: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/15.jpg)
Ls mora biti što je moguće manji. Osim toga, kanalno područje treba jako dopirati (postaje p+-područje) i proširiti (dublja difuzija). Sve ove mjere smanjuju otpor sloja ispod n+-područja. No, dio kanalnog područja u kojem nastaje kanal mora ostati slabije dopiran.
Parazitni tranzistor n–pn+ uklapa, poteče struja baze p+n–p, oba parazitna tranzistora uklope, stvori se pozitivna povratna veza i parazitni tiristor sastavljen od ova dva komplementarna parazitna tranzistora uklopi.
Prema tome postoji kritična struja MOSFET-a kod koje MOSFET gubi svojstvo upravljivosti.
![Page 16: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/16.jpg)
Opisani proces uklapanja parazitnog tiristora je statički proces. Dešava se kada statička struja prekorači kritičnu vrijednost. Spomenimo samo to da je u dinamičkim uvjetima (kada IGBT isklapa) kritična vrijednost struje manja.
Prema tome, rješenje je:
![Page 17: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/17.jpg)
Uklapanje IGBT-a, u većem dijelu vremena uklapanja, određuje MOSFET-ni dio IGBT-a. Zato je nadomjesni krug IGBT-a jednak nadomjesnom krugu MOSFET-a.
Prema tome, tijekom uklapanja, valni oblici IGBT-a kvalitativno se podudaraju s valnim oblicima MOSFET-a.
Sklopne karakteristike
![Page 18: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/18.jpg)
Model za analizu uklapanja i isklapanja MOSFET-a u silaznom pretvaraču
![Page 19: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/19.jpg)
Uklapanje
![Page 20: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/20.jpg)
Opadanje napona vDS odvija se u dva intervala tfv1 i tfv2. Tijekom prvog intervala MOSFET-ni dio IGBT-a prolazi kroz aktivno područje, kapacitet Cgd = Cgd1. Tijekom drugog intervala MOSFET-ni dio IGBT-a prolazi kroz otporno područje, kapacitet Cgd = Cgd2 > Cgd1.
Tijekom drugog intervala treba uzeti u obzir i prolazak p+n–p tranzistora u područje zasićenja. On usporuje opadanje blokirnog napona. Interval tfv2 završava kada ovaj tranzistor dođe u područje zasićenja.
![Page 21: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/21.jpg)
Isklapanje
![Page 22: BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061505/56815acb550346895dc89d61/html5/thumbnails/22.jpg)
Vrijeme kašnjenja isklapanja td(off) i vrijeme porasta blokirnog napona trv određuje MOSFET-ni dio IGBT-a.
Pad struje tijekom tfi1 određuje MOSFET-ni dio IGBT-a. Rep struje iD tijekom tfi2 potječe od uskladištenog naboja (šupljina) u n–-području (driftno područje). Jedan dio uskladištenog naboja se rekombinira, a drugi dio otječe repom struje iD. Duže vrijeme života nosilaca naboja (povoljno zbog pada napona) povećava rep struje (nepovoljno zbog gubitaka).