IGBT (Transistor lưỡng cực có cổng cách điện)

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là công tắc nguồn điều khiển cổng MOS.

IGBT (Transistor lưỡng cực có cổng cách điện)

(IGBT) là công tắc nguồn điều khiển cổng MOS có độ dẫn điện cao. Quá trình chế tạo tương tự như MOSFET công suất kênh N nhưng sử dụng lớp N-epitax được phát triển trên đế P+. Trong quá trình hoạt động vùng epiticular bị điều biến độ dẫn điện (bởi các lỗ trống và điện tử) do đó loại bỏ một thành phần chính của điện trở. Ví dụ, các giá trị điện trở đã giảm đi khoảng 10 lần so với các giá trị MOSFET công suất kênh N thông thường có kích thước và khả năng điện áp tương đương.

MOSFET thông thường ngày càng quan trọng trong các ứng dụng thiết bị điện riêng biệt do chủ yếu là trở kháng đầu vào cao, thời gian chuyển mạch nhanh và điện trở thấp. Tuy nhiên, điện trở của các thiết bị như vậy sẽ tăng lên khi tăng điện áp điện dung cực nguồn, do đó hạn chế giá trị thực tế của MOSFET điện đối với các ứng dụng có điệu áp dưới vài trăm V. Ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu các đặc điểm cấu trúc MOSFE công suất cung cấp giá trị điện trở khoảng một phần mười so với MOSFET công suất thông thường có cùng kích thước và điện áp. Trong thiết bị bán dẫn này, độ dẫn tại vùng epiticular của MOSFET thông thường được tăng lên đáng kể.

IGBT có cấu trúc tương tự như thyristor điều khiển bằng MOSFET, nhưng điểm khác nhau giữa hai linh kiện là nó duy trì điều khiển cổng (không chốt) trên một phạm vi rộng của dòng điện anode và điện áp. Nó tương tự như của một thyristor cổng MOS, ngoại trừ sự có mặt của trở kháng RG. Quá trình chế tạo giống như MOSFE công suất kênh N tiêu chuẩn, ngoại trừ lớp silicon N ~ epitax được phát triển trên đế P+ thay vì đế N+. Vùng P+ pha tạp nặng ở trung tâm của mỗi ô đơn vị kết hợp với tiếp xúc nhôm rút ngắn khu vực N+ và P+ cung cấp khả năng chống trở kháng Rs được thể hiện trong sơ đồ IGBT. Nó có tác dụng làm giảm sự khuếch đại dòng của transistor NPN. Như vậy chốt có chức năng tránh và kiểm soát cổng trong một phạm vi hoạt động lớn của điện áp và dòng điện anode.

Nguyên lí làm việc của IGBT

IGBT là một thiết bị N-P-N-P bốn lớp với kênh có cổng MOS kết nối hai vùng loại N. Trong chế độ hoạt động bình thường của IGBT, điện áp dương đặt vào cực dương (A) so với cực âm (K). Khi cổng (G) có điện thế bằng 0 đối với K, không có dòng điện cực dương IA chảy vào khi đó điện áp anốt VA < VBE . Khi VA < VBE và điện áp cổng vượt quá giá trị ngưỡng VGT, các electron chuyển vào vùng N (cực B của transistor PNP). Những electron này làm giảm điên áp của vùng N, chuyển tiếp phân cực tiếp giáp -N (lớp cơ chất-epi), do đó gây ra các lỗ hổng được lấy từ vào khu vực lớp N-epi. Các electron và lỗ trống điều chỉnh độ dẫn của vùng N có điện trở suất cao, làm giảm đáng kể điện trở của thiết bị. Trong quá trình hoạt động bình thường, điện trở Rg giữ cho dòng phát của transistor NPN rất thấp. Tuy nhiên đối với dòng phát cực lớn IA có thể xảy ra trong transistor NPN, làm cho dòng trong NPN tăng và trong trường hợp này, thiết bị bốn lớp có thể chốt kèm theo mất kiểm soát bởi cổng MOS. Trong trường hợp này, các thiết bị có thể được tắt bằng cách giảm dòng IA

Đặc tính của IGBT

Với độ lệch cổng bằng 0, đặc tính chuyển tiếp của IGBT biểu diễn dòng điện rất thấp (và lớp epiticular N~ được kích cạnh âm sẽ hình thành đặc tính phá vỡ ngược. Điện áp đánh thủng ngược thực tế của thiết bị sẽ vào khoảng 100V nếu không sử dụng kích cạnh âm.

Sơ đồ đặc tính IGBT cho thấy MOSFET giống như các đặc điểm truyền của IGBT ở vùng điện áp thấp. Một đặc điểm đáng chú ý của các đặc tính IGBT là độ lệch -0,7 V, từ gốc tăng mạnh. Giá trị bù này là điện áp cần thiết để chuyển tiếp phân cực tiếp giáp P+ -N (lớp nền-epi-layer) với phạm vi 10-30A . Độ lớn của dòng chốt phụ thuộc vào cả điện áp và nhiệt độ cực dương, giá trị sẽ giảm khi tăng điện áp anốt hoặc tăng nhiệt độ.

Dòng chốt

Dòng điện chốt cũng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi thời gian tắt điện áp cổng. Tắt cổng chậm (10us) cho phép dòng cực dương lên đến 30A mà không cần chốt. Tuy nhiên, tắt cổng nhanh (<1us) dẫn đến dòng chốt tại anode thấp hơn nhiều (10A) trong cùng một thiết bị. Người ta tin rằng việc chốt trong khi tắt nhanh điện áp cổng là do dòng điện bị ép qua transistor NPN làm cho dòng tăng và dẫn đến điều kiện để chốt. Để ngăn chặn điều này cần tắt cổng chốt từ từ vì kênh cảm ứng tắt chậm và tắt một phần transistor NPN dòng điện nhỏ qua transistor giữ dòng đủ thấp để tránh chốt IGBT.