تشریح مشخصه ها و پارامتر های فنی IGBT

در این مطلب آموزشی قصد داریم به تشریح مشخصه ها و پارامتر های فنی IGBT که دانستن آنها جهت راه اندازی و استفاده و انتخاب IGBT مناسب، بسیار حائز اهمیت است بپردازیم با ما همراه باشید.

مشخصه هاي انسداد استاتیک

توانایی انسداد معکوس، زمانی که ولتاژ منفی به پایه کلکتور IGBT اعمال می شود پیوند بستر P مثبت و ناحیه رانشی N منفی(J1) در حالت معکوس قرار می گیرد و عموماً ناحیه تھی به سمت ناحیه رانشی N منفی گسترش می یابد و باعث باریک شدن این ناحیه می گردد.

برای بدست آوردن قابلیت ھای انسداد معکوس مناسب باید مقاومت ویژه و ضخامتی مناسب برای ناحیه رانشی N منفی در نظر گرفته شود. پھنای ناحیه رانشی N منفی برابر است با مجموع پھنای ناحیه تخلیه در ماکزیمم ولتاژکاری و درجه کاری حاملھای اقلیت.

توانایی انسداد مستقیم

زمانی که پایه گیت به امیتر اتصال کوتاه شود و ولتاژی مثبت به پایه کلکتور اعمال شود پیوند بین P بیس و ناحیه رانشی N منفی (J2) به صورت معکوس بایاس می شود و ناحیه تھی در داخل ناحیه رانشی N منفی تشکیل می شود و این حالت تا ولتاژ مجاز برقرار می ماند.

جریان نشتی

جریان نشتی به دو نوع تقسیم می شود یک جریان نشتی از ناحیه تھی رانشی و دوم جریان روی سطح پایانی پبوند. در IGBT از یک لایه بستر P مثبت استفاده شده است که با وجود بھبود سرعت سوئیچینگ، جریان نشتی آن نسبت به ماسفت قدرت افزایش پیدا کرده است.

جریان نشتی با سریع تر شدن IGBT افزایش می یابد. ھمچنین با افزایش ولتاژ وجریان مجاز مقداراین جریان زیاد می شود.

مشخصه های هدایت مستقیم

به سبب نوع ساختار IGBT می توان آن را به صورت یک اتصال سری از ماسفت و دیود پین(Diod Pin ) و یا بصورت یک ترانزیستور PNP با بیس پھن که بوسیله یک ماسفت راه اندازی می شود در یک ترکیب دارلینگتون در نظر گرفت. حالت اول برای فھم رفتار قطعه استفاده می شود، ولی حالت دوم نحوه عملکرد IGBT را بھتر توضیح می دھد.

مشخصه ھای استاتیک IGBT

شکل فوق نمودار مشخصه ھای استاتیک IGBT را نشان می دھد. . حتی اگر کانال ماسفت در قسمت ورودی ایجاد شود تا زمانی که ولتاژ آند به کاتد به تقریبا 0.7 ولت نرسد جریان کلکتور برقرار نمی شود.

مضاف بر اینکه جریان زمانی اشباع می شود که ولتاژ روی کانال ماسفت بزرگتر از Vth-VGE شود.

در IGBT ھای متقارن ھمانطور که جریان کلکتور با افزایش ولتاژ آن افزایش می یابد. نرخ افزایش آن نیز با افزایش ولتاژ کلکتور افزایش می یابد. و به ھمین صورت با افزایش ولتاژ کلکتور کانال کوتاھ تر شده و در نتیجه مقاومت خروجی محدود تر می شود.

به منظور افزایش مقاومت خروجی از یک ساختار نامتقارن با اضافه کردن لایه واسط N مثبت بین بستر P مثبت و ناحیه رانشی مثبت و ناحیه رانشی N منفی استفاده می شود. در یک ساختار نا متقارن با افزایش ولتاژ کلکتور پھنای قسمت ناتھی ناحیه رانشی N منفی به سرعت تغییر نمی کند و پھنای آن برای مقادیر مختلفی از ولتاژ کلکتور تقریبا یکسان می ماند. در نتیجه بھره جریان ترانزیستور PNP کاھش پیدا می کند. به ھمین علت است که IGBT ھای نامتقارن دارای مشخصه ھای خروجی بسیار بھتری نسبت به نوع متقارن ھستند.

مشخصه هاي دماي بالا

یکی از مھمترین پارامتر ھایی که باید در بکار بردن IGBT در نظر گرفته شود تغییر مشخصه ھای آن بر اثر تغییر دماست ھنگامی که دما افزایش می یابد سد انرژی پیوند 1 بین بستر P مثبت و ناحیه رانشی N منفی (پیوند بیس امیتر ترانزیستور PNP (کاھش می یابد که سبب کم شدن ولتاژ آستانه می شود. ھمان طور که مقاومت کانال افزایش می یابد مقدار جریان الکترونھا کم شده و بھره جریان که نسبت جریان حفره ھا به جریان الکترونھا است افزایش می یابد و بعلاوه مقاومت ناحیه  N منفی (بیس ترانزیستور PNP ) نیز افزایش می یابد. به سبب این مشخصه ھا، در جریان ھای کم کلکتور تغییرات ولتاژ پیوند (J1 ) از تغییر مقاومت ھای کانال و ناحیه رانشی N منفی بزرگتر است و به ھمین جھت IGBT دارای ضریب حرارتی منفی ھمانند ترانزیستور ھای دو قطبی است . از سوی دیگر مقاومت کانال و ناحیه N منفی ولتاژ حالت روشن را در جریانھای زیاد کلکتور مشخص می کنند که ھمین منجر به یک ضریب دمایی مثبت ھمانند ماسفت قدرت می شود.

نقطه تقاطع این دو مشخصه برای محصولات مختلف متفاوت است. و افت ولتاژ روی کلکتور امیتر مستقل از درجه حرارت در نقطه تقاطع است.

ناحیه عملکرد ایمن  (SOA)

ناحیه عملکرد ایمن یک نیمه ھادی قدرت نمایش گرافیکی از حداکثر حد ولتاژ و جریان عملیاتی است. نواحی عملکرد ایمن مستقیم (FBSOA ( و بایاس معکوس (RBSOA ) ناحیه عملکرد ایمن نیمه ھادی قدرت در حالتی که پیوند گیت امیتر آن به صورت مستقیم و معکوس بایاس شده است را نشان می دھد.

این ناحیه حداکثر ولتاژی است که قطعه می تواند در جریان اشباع کلکتور تحمل کند. این ناحیه برای زمانھای سوئیچینگ بسیار کوتاه به صورت یک مربع است سطح این ناحیه با افزایش میزان تغییر ولتاژ کلکتور به امیتر برای جلوگیری از قفل شدگی کاھش می یابد. خوشبختانه مقداری که باعث قفل شدگی می شود در IGBT ھا بسیار بیشتر از قطعات دیگر است.

مقدار ماکزیمم Vce  جهت محدود کردن جریان در حالتھای اشتباه بدون درنظر گرفتن ولتاژ درین به سورس مشخص شده است. پرھیز از قفل شدگی و کنترل مداوم جریان توسط ولتاژ گیت از مشخصه ھای مطلوب این قطعه است.

پارامتر هاي برگه اطلاعات

VCES (ولتاژ کلکتور امیتر ماکزیمم)

ماکزیمم ولتاژ مجاز بین کلکتور و امیتراست زمانی که گیت وامیتر اتصال کوتاه است. اگر ولتاژ کلکتور امیتر از این حد تجاوز کند پیوند بین کلکتور امیتر شکسته شده و قطعه آسیب می بیند.

VGES (ولتاژ گیت امیتر ماکزیمم)

ماکزیمم ولتاژی است که میتوان بین کلکتور و امیتر اعمال کرد. مقدار این ولتاژ بستکی به ضخامت و مشخصات لایه اکسید گیت دارد.

Ic (ماکزیمم جریان کلکتور در ماکزیمم جریان کلکتور در CTC=25 و CTC=100)

ماکزیمم جریان DC است که میتواند در قطعه جاری شود که با توجه به دما تعیین می شود. این  پارامتر به توانایی قطعه در از دست دادن حرارت نیز بستگی دارد.

ICM (جریان پالسی کلکتور)

حداکثر جریانی است که می تواند در قطعه در حداکثر دمای پیوند برقرار شود. مقدار این جریان با تغییر عرض پالس، سیکل کاری و وضعیت پراکندگی حرارت تغییر می کند.

IF (جریان مستقیم پیوسته دیود در (CTC=100))

حداکثر جریان DC  دیود در حالت بایاس مستقیم است که در دمای Tc تعیین می شود.

IFM (حداکثر جریان مستقیم دیود)

جریان قله ای است که می تواند در حالت مستقیم در حداکثر دمای پیوند در دیود برقرار شود.

Tsc (زمان تحمل اتصال کوتاه در CTC=100 )

حداکثر زمانی است که قطعه می تواند در حالت اتصال کوتاه تحمل کند

PD (ماکزیمم پراکندگی توان در CTC=25 و CTC=100)

ماکزیمم مقدار پراکندگی توان است با فرض افزایش دمای پیوندتا حد مجاز در دمای در CTC=25 و CTC=100

Tj (دمای عملیاتی پیوند)

محدوده استاندارد صنعتی این مقدار بین 55 -تا 150 درجه سانتیگراد است. حداکثر مقدار این دما °C 150 است

Tstg (محدوده دمای ذخیره سازی)

محدوده ای از دماست برای ذخیره سازی یا انتقال قطعه که بین °C55 -تا °C150 است.

TL (ماکزیمم دمای لحیم کاری)

این مقدار ماکزیمم دمای سرب در ھنگام لحیم کاری است. این دما نباید از 300 ℃در 5 ثانیه برای 8.1 اینچ از سطح بدنه بیشتر شود.

پارامتر هاي حرارتی

توان تلف شده در قطعه به حرارت تبدیل می شود که این حرارت می تواند باعث افزایش دمای پیوند و در نتیجه تنزل مشخصه ھا و کوتاه شدن عمر قطعه است. پس بسیار مھم است که این حرارت تولید شده در داخل قطعه به سرعت از ان خارج شود.

اگر انتقال حرارت را ھمانند جریان در نظر بگیریم می توان کانال انتقال حرارت را ھمانطور که در شکل نشان داده شد با یک مدار الکتریکی نشان می دھد.

RθJA (مقاومت حرارتی پیوند تا محیط)

مقاومت حرارتی بین پیوند و محیط را می توان با RθJA مشخص ومقدار آن با فرمول زیر محاسبه می شود.

RθJA (مقاومت حرارتی پیوند تا محیط)

RθJC (مقاومت حرارتی پیوند تا بدنه)

یک مقاومت حرارتی داخلی از پیوند تا بدنه قطعه است. مقدار این مقاومت به نوع طراحی بدنه قطعه و مواد بکار برده شده در ساختمان بستگی دارد. RθJC را می توان در دمای CTC=25 از فرمول زیر محاسبه کرد.

RθJC (مقاومت حرارتی پیوند تا بدنه)

* CTC=25 وضعیتی است که در آن ھیت سینک بینھایت است.

* ھیت سینک بینھایت: ھیت سینکی است که دمای بدنه را با دمای محیط برابر می کند.

RθCS (مقاومت حرارتی بدنه تا ھیت سینک)

RθCS مقدار مقاومت حرارتی بین ھیت سینک و محیط را مشخص می کند که مقدار آن به شکل ھندسی ھیت سینک،سطح تماس ،کیفیت آن و روش ھای خنک کردن بستگی دارد.

مشخصه هاي الکتریکی (حالت خاموش)

BVCES (ولتاژ شکست کلکتور- امیتر)

این مقدار ولتاژ شکست بین کلکتور و امیتر در حالت اتصال کوتاه بودن گیت-امیتر است.

ΔBVCES/ΔTj) ضریب حرارتی ولتاژ شکست

ولتاژ شکست بین کلکتور و امیتر دارای ضریب حرارتی مثبتی است که عموما مقدار آن برابر 0.6 V/C است.

ICES (جریان قطع کلکتور)

ماکزیمم جریان نشتی بین کلکتور وامیتر است با گیت-امیتر اتصال کوتاه و اعمال ولتاژ مجاز به کلکتور و امیتر.

IGES (جریان نشتی گیت-امیتر)

ماکزیمم جریان نشتی گیت-امیتر است با کلکتور-امیتر اتصال کوتاه شده و اعمال ولتاژ مجاز به گیت وامیتر.

حالت روشن

VGE (th) (ولتاژآستانه گیت-امیتر)

ولتاژ بین گیت- امیتر است که به ازای آن جریان کلکتور برقرار می شود. در برگه اطلاعات VGE (th) معنای ولتاژی است که به ازای آن جریان مشخصی از کلکتور عبور می کند.

Sat VCE(ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر)

یکی از مھمترین پارامترھای تعیین کننده مقدار تلفات ھدایتی قطعه است . مقدار آن ولتاژ افت کرده روی کلکتور امیتر در زمان برقراری جریان مجاز در امیتردر CTC=25 و CTC=100 و V15=VGE است. ھنگامی که مقدار جریان کلکتور کم است ضریب حرارتی Sat VCE منفی و زمانی که مقدار جریان کلکتور زیاد است ضریب حرارتی آن مثبت است.

مشخصه هاي دینامیک

ظرفیت خازنی IGBT  معمولا تحت شرایط معینی اندازه گیری می شود و ھمان طور که در شکل نشان داده شده مقدار آن نسبت عکس با ولتاژ کلکتور-امیتر دارد. در برگه اطلاعات مقدار نوعی این ظرفیت تحت شرایط VGE=0 و1MHz=f وVCE=V30 ارائه می شود.

Cies(ظرفیت خازنی ورودی)

ظرفیت خازنی ورودی زمانی که کلکتور و امیتر اتصال کوتاه شده را نشان می دھد.

Coes(ظرفیت خازنی خروجی)

ظرفیت خازنی خروجی زمانی است که گیت و امیتر اتصال کوتاه شده اند.

Cres(ظرفیت خازنی انتقال معکوس)

ظرفیت خازنی بین پایه ھای کلکتور وامیتر را نشان می دھد

مشخصه هاي سوئیچینگ

یک مدار دیود جھش با بار سلفی در شکل نشان داده شده است. عموما در الکترونیک قدرت با این مدار روبرو ھستیم. ما به کمک این مدار رفتار IGBT را در روشن شدن وخاموش شدن بررسی می کنیم.

با توجه به اینکه IGBT در ورودی دارای یک ساختار ماسفت است ،حالت ھای گذر خاموش و روشن آن بسیار شبیه ماسفت ھای قدرت است.

باتشکر از حسن توجه شما امیدواریم این مطلب آموزشی برای شما مفید باشد برای دیدن سایر مطالب آموزشی می توانید روی این لینک کلیک کنید.

همچنین برای دیدن سایر آموزش های مربوط به IGBT  روی این لینک کلیک کنید.