1.7. TRANSISTOR CÓ CỰC ĐIỀU KHIỂN CÁCH LY, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
1.7.2. Đặc tính đóng cắt của IGBT
Hình 1.23 Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT
Do có cấu trúc p-n - -p mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp hơn so với ở MOSFET. Tuy nhiên cũng do cấu trúc này mà thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình 1.22b và c thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với một MOSFET và một p-n- p transistor. Ký hiệu dòng qua cực E của IGBT gồm hai thành phần: i1 là dòng qua MOSFET, i2 là dòng qua transistor. Phần MOSFET trong IGBT có thể khóa lại
25
nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng il sẽ bằng không.
Tuy nhiên thành phần dòng i2 sẽ không thể suy giảm nhanh được do lượng điện tích tích lũy trong lớp n+ (tương đương với cực gốc của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này dẫn đến xuất hiện vùng dòng điện bị kéo dài khi khóa một IGBT. Thực hiện khảo sát quá trình mở và khóa một IGBT theo sơ đồ thử nghiệm cho trên hình 1.23. Trên sơ đồ IGBT đóng cắt một tải cảm có diode không Do mắc song song. IGBT được điều khiển bởi nguồn tín hiệu với biên độ UG nối với cực điều khiến G qua điện trở RC. Trên sơ đổ Cgc, Cge thể hiện các tụ điện ký sinh giữa cực điều khiển G với các cực C và E.
1.7.2.1. Quá trình mở IGBT
Quá trình mở IGBT diễn ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khi điện áp điều khiển dầu vào tăng từ không đến giá trị UG. Trong thời gian trễ khi mở td(on)
tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ Cge làm điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng theo quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng UGE(th) (khoảng 3 đến 5V), chỉ đến lúc đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa collector - emitter tăng theo quy luật tuyến tính từ không đến dòng tải Io trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng đến giá trị UGEIo xác định giá trị dòng I0 qua collector. Do diode D0, còn đang dẫn dòng tải I0, nên điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều Udc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo hai giai đoạn, tfv1 và tfv2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiền giữ nguyên ở mức UGE.I0(mức Miller), để duy trì dòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ Cgc. IGBT vẫn làm việc trong chế độ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hồi của diode D0, dòng phục hồi của diode D0 tạo nên xung dòng trên mức dòng I0 của IGBT.
Điện áp UCE bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa. Giai đoạn hai tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector, dẫn đến điện trở giữa collector - emitter về đến giá trị Ron
khi van bão hòa hoàn toàn.UCE on. =I R0. on.
Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và emitter tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ, với hằng số thời gian bằng CgeRG đến giá trị cuối cùng UG.
Tổn hao năng lượng khi mở được tính gần đúng bằng:
26
0 2
dc
on on
Q =U I t
Nếu tính thêm ảnh hưởng của quá trình phục hồi của diode D0 thì tổn hao năng lượng sẽ lớn hơn do xung dòng trên dòng collector.
1.7.2.2. Quá trình khóa
Dạng điện áp, dòng điện của quá trình khoá thể hiện trên hình 1.24.
Hình 1.24 Quá trình khóa IGBT
Quá trình khóa bắt đầu khi diện áp điều khiển giảm từ UG xuống –UG. Trong thời gian trễ khi khóa td(off) chỉ có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian bằng CgeRG, tới mức điện áp Miller. Bắt đầu từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và emitter bị giữ không đổi do điện áp Ucc bắt đầu tăng lên và do đó tụ Cgc bắt đầu được nạp điện. Dòng điều khiển bây giờ sẽ hoàn toàn là dòng nạp cho tụ Cgc nên điện áp UGE được giữ không đổi. Điện áp Ucc
tăng từ giá trị bão hòa Ucc.on tới giá trị điện áp nguồn Udc sau khoảng thời gian trv. Từ cuối khoảng trv diode D0 bắt đầu mở ra cho dòng tải I0 ngắn mạch qua, do đó dòng collector bắt đầu giảm. Quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn, tfi1 và tfi2. Trong giai đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT
27
suy giảm nhanh chóng về không. Điện áp UGE ra khỏi mức Miller và giảm về mức điện áp điều khiến ở đầu vào –UG với hằng số thời gian: R CG( gc +Cge).
Ở cuối khoảng tfi1, UGE đạt mức ngưỡng khóa của MOSFET, UGE(th), tương ứng với việc MOSFET bị khóa hoàn toàn. Trong giai đoạn hai, thành phần dòng i2
của transistor p-n-p bắt đầu suy giảm. Quá trình giảm dòng này có thể kéo rất dài vì các điện tích trong lớp n + bị mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích tại chỗ.
Đó là vấn đề đuôi dòng điện đã nói đến ở phần trên.
Tổn hao năng lượng trong quá trình khóa có thể tính gần đúng bằng:
. 0.
2
dc
off off
U I
Q = t
Lớp n+ trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn, vì khi đó số lượng các điện tích thiểu số (các lỗ) tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng kể. Tuy nhiên các điện tích tích tụ này lại không có cách gì di chuyển ra ngoài một cách chủ động được, làm tăng thời gian khóa của phần tử. Ở đây công nghệ chế tạo bắt buộc phải thỏa hiệp. So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời gian khóa dài hơn, cỡ 1 đến 5 s.