Transcript BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT (insulated gate bipolar transistor)

BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM
UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT
(insulated gate bipolar transistor)
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
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).
Meni se više dopada ovaj simbol:
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.
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.
– 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.
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.
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.
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.
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.
Osnovni diskretni model IGBT-a
VJ1
Ovaj model prikazuje IGBT kao
Darlingtonov spoj pn–p+ tranzistora i
MOSFET-a. Bipolarni tranzistor je glavni
tranzistor, a MOSFET upravljački.
p
p+
n–
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:
VDS (on)  VJ 1  Vdrift  I D Rkanal
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.
Spriječavanje uklapanja parazitnog tranzistora
Lateralni tok šupljina propusno polarizira pn+ prijelaz (J3) i izaziva
uklapanje parazitnog tiristora. Lateralni tok šupljina u kanalnom ppodručju je izrazit, jer šupljine privlači negativni naboj u kanalu. Najveća
propusna polarizacija pn+ prijelaza je na mjestu gdje inverzioni sloj
dotiče n+-područje.

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.
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.
Prema tome, rješenje je:
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.
Sklopne karakteristike
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.
Model za analizu uklapanja i isklapanja MOSFET-a u silaznom
pretvaraču
Uklapanje
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.
Isklapanje
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).