آشنایی با IGBT

IGBT قطعه‌ای با اهمیت جهت ساخت سوئیچ استاتیک کارا در زمینهء الکترونیک قدرت می‌باشد. تقریبا از سال 1990 به بعد، عمدهء پیشرفتها در زمینه الکترونیک قدرت براساس استفاده از IGBT بوده است . با استفاده از IGBT ابعاد مبدلها کاهش چشمگیری می‌یابد و عملیات کنترل و سوئیچ توانهای بالا به سهولت انجام می‌پذیرد. هدف از اجرای این پایان‌نامه مطالعه رفتار IGBT، ارائهء یک مدل رفتاری برای آن و بررسی عملکرد IGBTها در مدولهای موازی و سری به منظور دستیابی به سوئیچهای استاتیک با توانایی تحمل ولتاژ و جریان بیشتر است . در این پایان‌نامه ابتدا خلاصه‌ای از تاریخچه و روند پیشرفت قطعات نیمه هادی قدرت و جایگاه IGBT در میان دیگر قطعات نیمه هادی قدرت ارائه شده است .  

 

با توجه به اینکه IGBT در میان دیگر قطعات نیمه‌هادی قدرت ارائه شده است . با توجه به اینکه IGBT ترکیبی از ترانزیستورهای MOSFET قدرت و BJT است ، رفتار و مشخصات این دو نوع ترانزیستور مورد بحث قرار گرفته و سپس فیزیک IGBT، نحوهء کار، توانایی‌ها و محدودیتهای آن بررسی گردیده است . بر مبنای بررسی‌های فوق‌الذکر یک مدل رفتاری (Macro model) برای IGBT با توجه به رفتار پایانه‌ای آن پیشنهاد شده است . این مدل می‌تواند در برنامه‌های طراحی به یاری کامپیوتر (CAD) مانند SPICE و تحلیل مدارهای سوئیچ عملی همراه با قطعات دیگر به کار گرفته شود. پارامترهای مورد نیاز این مدل طوری تعریف شده‌اند که طرح مدار می‌تواند آنها را یا از طریق آزمایش و اندازه‌گیری بدست آورد و یا از برگه اطلاعات قطعه که توسط سازندهء آن انتشار می‌یابد، استخراج نماید. بنابراین در ادامهء این مبحث روشهایی برای اندازه‌گیری و استخراج پارامترهای حالت ثابت و گذرای IGBT بیان شده است . پس از ارائه مدل برای IGBT، روشهای موازی و سری کردن آنها منظور دستیابی به یک سوئیچ استاتیک کارا با قابلیت تحمل ولتاژ و جریان بالا بررسی شده است .

این بررسی موارد عملی و نیز تحلیل کامپیوتری را شامل می‌شود و با بکارگیری مدل پیشنهادی، تصدیق متقابل نتایج اندازه‌گیری شده و شبیه‌سازی شده نشان داده شده است . نتایج حاصل در این قسمت نشان می‌دهد که تطبیق خوبی بین نتایج عملی و نتایج شبیه‌سازی وجود دارد و مدل مورد تایید و اعتماد می‌باشد. مطالعهء این مبحث همچنین شناخت دقیقتری از پارامترهای IGBT و تاثیر هر کدام در رفتار IGBT را، میسر می‌سازد.

    ساختار N-CHANAL-IGBT :

IGBT  یک ترانزیستور قطبی می باشد که فرمان اعمال شده به آن توسط پایه GATE  انجام می شود از دیدگاه خروجی مانند ترانزیستور قطبی است و از دیدگاه ورودی  ویژگی های FET  را دارد  . پایه ی گیت از دو صفحه فلزی رسانا تشکیل شده این صفحه ها جهت ایجاد میدان های الکترو استاتیکی به کار می روند.سطح این صفحات توسط  لایه ی نازکی از اکسید سیلیکون پوشانده شده است وهر یک از این صفحات عایق به سه نیمه هادی درساختار داخلی IGBT  متصل شده است.دو نیمه هادی نوع N  و یک نیمه هادی نوع. P
 توسط اتصال این دو صفحه ی عایق به نیمه هادی ها شش ساختار خازنی به وجود می آید شرط عملکرد این ترانزبستور این است که دو صفحه ی گیت به صورت مثبت شارژ شوند.که در این صورت باعث ایجاد دو تاثیر عمده درداخل IGBT می گردد.  

اتصال صفحه ی GATE به نیمه هادی نوع P : با اعمال پتانسیل مثبت به گیت صفحات گیت به صورت مثبت شارژ می شوند حامل های اکثریت در نیمه هادی نوع P نیزحفره ها می باشند وماهیت این نیمه هادی نیز به صورت ماده ای است که فقدان الکترون دارد واین عامل باعث ایجاد میدان های الکترو استاتیکی بین صفحه ی گیت ونیمه هادی نوع P  میگرددو درنتیجه نیروی جاذبه میان الکترون های شارژ شده در گیت و حفره ها در نیمه هادی نوع P یون های مثبت در نزدیکی گیت جمع می شوند.
اتصال صفحه ی gate به نیمه هادی نوع   n:حامل های اکثریت در نیمه هادی نوع n الکترون ها می باشند درنتیجه این  نیمه هادی دارای یون منفی می باشد که دارای الکترون مازاد است حال با شارژ کردن صفحات گیت به صورت مثبت بار های الکتریکی شارژ شده بر روی صفحه ی گیت باعث دفع شدن الکترون ها در قسمت اتصال خازنی میگردد
پایه ی امیتر : در این ترانزیستور پایه ی امیتر به سه نیمه هادی اتصال پیدا کرده است ، یکی از این نیمه هدی ها نوع n ودوتای دیگر نیمه هادی نوع p میباشند که نیمه هادی نوع P  جهت عبور جریان بار استفاده می شود و نیمه هادی های نوع p جهت عبور جریان تحریک فرمان عملکردی ترانزیستور استفاده می گردد.
پایه ی کلکتور: این پایه نیز به یک نیمه هادی نوع p  متصل می گردد. نیمه هادی های قرار گرفته بین دو پایه ی کلکتور و امیتر به صورت pnp میباشد.

بررسی مدارهای معادل برای: IGBT

به طورکلی المان های الکتریکی که برای بررسی مدار داخلی  igbt می توانند مورد استفاده قرار گیرند عبارتند از مقاومت های اهمی ، خازن ها ، دیود ها ، ترانزیستور npn وmosfet .

مقاومت اهمی در ساختار igbt  : هر المان الکتریکی بسته به جنس ماده ی تشکیل دهنده طول و قطر آن دارای مقامت الکتریکی خواصی می باشد که نیمه هادی های تشکیل دهنده ی igbt نیز دارای مقاومت اهمی ویژی می باشند که این مقاومت بسته به جریان عبوری از آن تا حدودی متغییر می باشد .

خازن ها در ساختار  igbt : همان طور که در قسمت قبل گفته شد پایه ی گیت در این ترانزیستور از دو صفحه ی رسانا تشکیل شده که با اتصال این صفحات توسط دی الکتریک به نیمه هادی ها ساختار خازنی به وجود می آید. همچین با اتصال دو نیمه هادی نوع N وP  به یکدیگر یک ساختار خازنی به وجود می آید که پتانسیلی به اندازه ی ولتاژ گام در آن ذخیره شده است . در ساختار هر IGBT پنج نیمه هادی استفاده شده است در نتیجه با اتصال آنها چهار پیوند خازنی به وجود می آید

دیود ها در ساختار IGBT  : همان طور که گفته شد در ساختار igbt چهار اتصال نیمه هادی نوع n وp وجود دارد که هر کدام از این پیوند ها در مدار معادل می توانند با یک دیود نظیر شوند . عملکردحالت غیر فعال IGBT
Blocking Operation
حالت غیر فعال عملکردی این ترانزیستور در صورتی به وجود می آیدکه گیت این ترانزیستور تحریک نشود و هیچ پتانسیلی به آن اعمال نگردد  حال در صورت اعمال پتانسیل الکتریکی مثبت به پایه ی کلکتور و پتانسیل منفی به امیتر ترانزیستور مانند یک سوییچ باز عمل نموده و تقریبا هیچ جریانی از آن عبور    نمی کند . 
در این صورت جریان عبوری از ترانزیستور تنها یک جریان پایین نشتی میباشد ، حال در صورت نیاز به جلوگیری از این جریان نشتی کافی است پایه ی گیت این ترازیتور را به پتانسیل صفر متصل نماییم و در صورت اعمال پتانسیل منفی به پایه ی گیت مقاومت آن در مقابل عبور جریان های نشتی افزایش می یابد در بایاس موافق بدون تحریک گیت با توجه به ساختار دیودی ترانزیستور IGBT تنها یک دیود در بایاس مخالف قرار گرفته در نتیجه ترانزیستور عملکردی نخواهد داشت.

On-state Operation حالت فعال ترانزیستور

در صورت اعمال پتانسیل مثبت به پایه ی گیت نسبت به زمین ترانزیستور در حالت عملکرد قرار مگیرد در صورت اعمال پتانسیل مثبت به کلکتور و وصل پتانسیل صفر به پایه ی امیتر و افزایش ولتاژ پایه ی گیت تا رسیدن ولتاژ به ولتاژ گام ترانزیستور جریان کمی از خود عبور می دهد با رسیدن ولتاژ گیت به ولتاژ گام جریان عبوری از ترازیستور به سرعت  به مقدار اشباع  و ترانزستور عملکرد سوییچینگ را انجام نمی دهد و وارد منطقه ی عملکرد آنالوگ می گردد.
مهمترین و تقریبا تنها کارایی IGBT سوییچینگ جریان های بالا می باشد در نتیجه برای عملکرد مناسب این عنصر باید از وارد شدن آن به ناحیه ی اشباع جلوگیری نمود واز این ترانزیستور در ناحیه ی خطی (اهمی) استفاده کرد.
میزان ولتاژ اعمالی به گیت IGBT باید متناسب با ولتاژ قسمت قدرت و جریان مطلوب عبوری از آن باشد(برای این کار باید به اطلاعات تخصصی کارخانه ای ترانزیستور مراجعه نمود) .

درایو کردن ترانزیستور IGBT برای سوییچینگ قدرت :

 برای درایو کردن تمام ترانزیستور کافی است ماهیت ورودی آنها به طور کامل مورد بررسی قرار گیرد .
در ترانزیستور igbt باید مدار قرار گرفته بین دو پایه ی گیت و امیتر مورد توجه قرار گیرد تا این مشخصات باعث ایجاد مشکلات در درایو کردن این ترانزیستور نشود. 
با توجه به ساختار داخلی igbt مدار قرار گرفته شده بین دو پایه ی گیت و امیتراز یک خازن تشکیل شده که بار الکتریکی ذخیره شده در این خازن در نیمه هادی نوع p  و صفحه ی خازنی گیت می باشد.
این ترازیستور ها ترانزیستور تحت تاثیر میدان الکتریکی می باشند و میدان الکتریکی تولید شده در این ترانزیستورها به وسیله ی شارژ و دشارژ شدن خازن ساختار داخلی این المان ها انجام می پذیرد. ثابت زمانی شارژی و دشارژی در خازن ورودی توسط حاصل ضرب ظرفیت خازنی گیت امیتر و مقاوت سری شده با آن بدست می آید هر چقدر زمان این ثابت زمانی کمتر باشد سوییچینگ با کیفیت بالا تر و به صورت صفر و یکی کامل انجام می شود .