خوش آمدید

جستجو

تبلیغات





ترانزیستور دوقطبی با درگاه عایق‌شده IGBT

    ترانزیستور دوقطبی با درگاه عایق‌شده IGBT

    ترانزیستور دو قطبی با درگاه عایق‌شده یا IGBT - Insulated gate bipolar transistor جز نیمه هادی قدرت بوده و در درجه اول به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی استفاده می شود که در دستگاه های جدید برای بازده بالا و سوئیچینگ سریع استفاده می شود. این سوئیچ برق در بسیاری از لوازم مدرن از جمله خودروهای برقی، قطار، یخچال ها، تردمیل، دستگاه های تهویه مطبوع و حتی سیستم های استریو و تقویت کننده ها استفاده می شود. همچنین در ساخت انواع اینورترها،ترانسهای جوش و UPS کاربرد دارد.

    برای دیدن در ابعاد واقعی بر روی عکس کلیک کنید. 

     

    در فرکانسهای بالای کلیدزنی، از یک ترانزیستور جهت کنترل سطح ولتاژ DC استفاده میشود. با بالا رفتن فرکانس ترانزیستور دیگر خطی عمل نمی کند و نویز شدیدی را با توان بالا تولید میکند. به همین سبب در فرکانس کلیدزنی بالا از المان کم مصرف power MOSFET استفاده میشود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نیز زیاد میشود. المان جدیدی به بازار آمده است که تمامی مزایای دو قطعه فوق را دارد و دیگر معایب BJT و POWER MOSFET را ندارد، این قطعه جدید IGBT نام دارد. در طی سالهای اخیر بدلیل ارزانی و مزایای این قطعه از آن استفاده زیادی شده است.

    IGBT چیست؟

    IGBT (ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده) یک نیمه هادی جدید و کاملاً صنعتی است که از ترکیب دو نوع ترانزیستور BJT و MOSFET ساخته شده است. بطوریکه از دید ورودی شما یک MOSFET را می بینید و از نظر خروجی یک BJT. BJTها و MOSFETها دارای خصوصیاتی هستند که از نقطه نظرهایی یکدیگر را تکمیل میکنند. BJTها در حالت روشن (وصل) دارای تلفات هدایتی کمتری هستند درحالیکه زمان سوئیچینگ آنها به خصوص در زمان خاموش شدن طولانی تر است. MOSFET ها قادرند که به مراتب سریعتر قطع و وصل کنند بنابراین تلفات هدایت آنها بیشتر است. IGBT یک ترانزیستوری است که مزایای BJT و MOSFET را باهم دارد مثل:

    1. امپدانس ورودی بالا مثل MOSFET
    2. افت ولتاژ و تلفات کم مانند BJT
    3. نظیر BJT دارای ولتاژ حالت روشن (وصل) کوچکی است.

     

    اسامی پایه ها هم از روی همان اسامی قبلی انتخاب شده G از MOSFET و C,E از ترانزیستورهای BJT. در نتیجه با این ترکیب ساده شما المانی را استفاده می کنید که دارای امپدانس بالای گیت و قابلیت تحمل ولتاژ بالا است. سرعت سوییچ کردن این نوع دارای محدودیت بوده بطور نمونه 1KHz تا 50KHz که در کل بین دو نوع BJT و MOSFET قرار می گیرد. و بخاطر امپدانس ورودی بسیار بالایی که دارد بسیار حساس می باشد. و بیشتر در کوره های القایی برای تقویت دامنه ولتاژ استفاده می شود. و در کل مورد استفاده این نوع ترانزیستورها بیشتر برای راه اندازی المانهای توان بالا می باشد. مهمترین و تقریبا تنها کارایی IGBT سوییچینگ جریانهای بالا میباشد.

     

    افت ولتاژ و تلفات کم نظیر BJTها دارای ولتاژ حالت روشن(وصل) کوچکی است به عنوان مثال در وسیله ی با مقدار نامی 1000ولت، ولتاژ حالت وصل (Von) در حدود 2 الی 3 ولت است. ترانزیستور سریعی در عملکرد است زمان قطع و وصل در آن در حدود 1 میکروثانیه می باشد. چون که زمان بازیابی در این ترانزیستور خیلی کم است در نتیجه این ترانزیستور در فرکانسهای بالا عملکرد مناسبی دارد.

    ساختار N-CHANAL-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 الکترواستاتیکی 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 در ساختار 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.

    Power Electronic IGBT (04)

    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 و ماهیت این نیمه هادی نیز به صورت ماده ای است که فقدان الکترون دارد و این عامل باعث ایجاد میدان های الکترو استاتیکی بین صفحه ی گیت و نیمه هادی نوع P می گردد و 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 هادی ها نوع n و دوتای دیگر نیمه هادی نوع p می باشند

    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 می باشد.

     

    Power Electronic IGBT (06)

     

    طراحی و ساخت یک راه انداز گیت IGBT با حفاظتهای لازم

    راه اندازهای گیت در مبدل های قدرت نوین که از عنصر قدرت IGBT استفاده می کنند، باید چندین عملکرد اساسی همچون ایزولاسیون الکتریکی، تقویت جریان و حفاظت در برابر اضافه جریان و ولتاژ را به اجرا بگذارند. مقاله حاضر یک نمونه از چنین راه اندازهایی را توصیف می کند که تماماً توسط ادوات الکترونیک برای IGBT های قدرت متوسط و یا زیاد مناسب است. این راه اندازها شامل منبع تغذیه سوئیچینگ ایزوله، مدارهای بافر، برخی توابع حفاظتی و همچنین حفاظت در برابر اتصال کوتاه IGBT ها است. مدارها باید توانایی اعمال جریان تا اوج 6 آمپر با تداوم 50% با اعمال سیگنال ورودی در سطح TTLرا دارا باشند.

     

    عنصر IGBT نيازمند ولتاژ گيت–اميتر جهت كنترل ميزان هدايت میان كلكتور و اميترش است. اين ولتاژ توسط مدارهاي راه انداز مختلفي مي تواند اعمال شود. مدار راه انداز تأثير به سزائي بر عملكرد IGBT از نظر اتلاف روشني و خاموشي، توانايي حفاظت اتصال كوتاه، زمان سوئيچينگ و حفاظت در برابر تغییرات ولتاژ گذرا در واحد زمان dv/dt را دارد. بنابراين طرح مدار راه انداز جهت عملكرد مناسب ادوات IGBT نسبتاً بحرانی محسوب می شود.

    نقطه نظراتي كه در طرح يك راه انداز مناسب بايد لحاظ شوند به طور خلاصه عبارتند از :

    1. تهیه ولتاژ گیت – امیتر مناسب به منظور روشنی کامل IGBT
    2. تهيه جريان اوليه نسبتاً زياد در فرآيند روشني به جهت كاهش اتلاف روشني. جريان مورد نياز اغلب در حد 6 آمپر و يا بالاتر مي باشد.
    3. تأمين ولتاژ معكوس در طي زمان خاموشي به جهت بهبود ولتاژ گذرا در واحد زمان dv/dt ، نویز EMI و کاهش اتلاف زمان خاموشی IGBT.
    4. فراهم آوردن ايزولاسيون كافي ميان مدار قدرت و كنترل.
    5. محافظت IGBT به هنگام اتصال کوتاه. در این حالت راه انداز گیت، ولتاژ معکوس به گیت – امیتر اعمال کرده و سیگنال خطا را به واحد کنترل ارسال می کند.

    خوشبختانه مدارهای راه انداز متنوعی که اغلب برای راه اندازی ماژول های IGBT مناسب می باشند طراحی و ساخته شده اند اما متأسفانه اين مدارها بسيار گران هستند و در نتيجه در توليد مبدل هاي قدرت نيازمند آن هستيم كه را ه اندازهاي گيت ارزان كه براي شرايط كاري مختلف مناسب باشند، توسعه داده شوند. تصویر زیر یک راه انداز گیت IGBT که برای انواع جریان متوسط و یا حتي زياد مناسب است و از لحاظ اقتصادي نيز مقرون به صرفه بوده آورده شده است.

    Power Electronic IGBT (08)

    ساختار راه انداز گیت IGBT

    شمای ساده شده راه انداز گیت مورد نظر را در شکل بالا مشاهده می کنید، كه شامل خروجي تمام پل، مدارهاي كنترل منطقي و تأخيرهاي مورد نياز است. اين ساختار در اغلب مدارهاي راه انداز با اندك تغييرات مورد استفاده واقع مي شود.

    طبقه خروجی

    راه اندازهای IGBT مرسوم معمولاً از یک طبقه پوش – پول به منظور تهيه جريان مثبت و منفي زياد استفاده مي كنند تا قادر به شارژ و تخليه سريع خازن ورودي IGBT در طی زمان های سوئیچینگ باشند. بدیهی است که اين چنين ساختاري نيازمند دو تغذيه يكي مثبت و ديگري منفي براي تأمين گرايش ترانزيستورهاي پوش- پول خواهد بود. گرايش منفي گيت تأثير قابل توجهي بر روي سرعت سوئيچينگ و افزايش قابليت اعتماد مبدل دارد. با ساختار تمام پل در طبقه خروجي راه انداز، ولتاژ مثبت در طي زمان روشنی M1,M4= ON و M2,M3= 0FF ولتاژ منفی در طی خاموشیM2,M3= ON و M1,M4= OFF و تنها با یک منبع تغذیه بر روی گیت امیتر IGBT می توان قرار داده شود. به این ترتیب برای کنترل زمان خاموشي و روشني نيازمند مقاومتهاي خارجي بر روي گيت R on و R off خواهیم بود تا سرعت سوئيچينگ مورد نظر بدست آيد. در طرح ارائه شده براي زوج ترانزيستورهاي M1 و M2 ، همچنین M3 و M4 از زوج ترانزیستور استفاده شده است.

     

    حفاظت اتصال کوتاه IGBT

    این حفاظت با استفاده از ادوات D1-DZ-C1-R2-R1 شکل می گیرد. وقتی ولتاژ گیت – امیتر IGBT در حالت روشن بوده و به دلیل اتصال کوتاه در خروجی، IGBT از اشباع کامل VCE set=2-3V به ناحیه فعال وارد شود VCE >> VCEset با قطع دیود D1 زنر DZ هدایت کرده با تحریک مدار حفاظت موجب عدم ارسال پالس گیت به IGBT می شود. در طي سوئيچينگ عادي IGBT به دلیل حضور همزمان جريان كلكتور و ولتاژ كلكتور- اميتر، امكان عملكرد ناخواسته مدار حفاظت اتصال كوتاه وجود دارد. بنابراين فيلتر R1-C1 جهت حذف این اثر اضافه شده است. تنظيم دقيق مقدار ثابت زماني اين فيلتر مي تواند زمان عملكرد مدار حفاظت اتصال كوتاه را تا حدود چند ميكروثانيه كه در طی آن IGBT صدمه نمی بیند به تأخیر بیاندازد. جهت تعیین مقادیر بهینه R1-R2 و C1 می توان از شبیه سازی توسط نرم افزار PSPICE بهره گرفت. با انتخاب مقادیر R1=10K , R2=100K , C1=100Nf زمان تأخیر عملکرد مدار اتصال کوتاه حدود 5 میکروثانیه بدست می آید که مناسب به نظر می رسد.

    روشن شدن IGBT

    زمانی که قطعه در حال انسداد مستقیم است، اگر ولتاژ گیت بیش از ولتاژ آستانه شود، در این صورت ناحیه P به عقب رانده شده و کانالی از نوع N در آن ایجاد می شود و جریان از طریق این کانال برقرار می شود. در این زمان ولتاژ آند به کاتد باید بیشتراز 0.7 ولت (سد پتانسیل) باشد تا پیوند بین بستر P مثبت و ناحیه رانشی N منفی (J1) به صورت مستقیم بایاس شود. جریان الکترونها که از N مثبت امیتر از طریق کانال به سمت ناحیه رانشی N منفی برقرار است جریان تحریک بیس ترانزیستورPNP می باشد. جریان الکترونها باعث القا شدن جریانی از حفره ها از ناحیه P مثبت به سمت ناحیه N منفی بیس می شود که بر اثر این تزریق حاملهای اقلیت، مدوله کننده ی رسانندگی و رسانایی ناحیه رانشی افزایش می یابد.

     

    این مدوله کننده ی رسانندگی، IGBT ها را قادر می سازد تا در کاربردهای ولتاژ بالا با کاهش چشمگیر مقاومت ناحیه رانشی مورد استفاده قرار گیرند. دو نوع جریان در پایه امیتر برقرار است. یکی جریان الکترونها (جریان ماسفت) در داخل کانال و دیگری جریان حفره ها(جریان دو قطبی) که در پیوند P مثبت بدنه و ناحیه رانشی N منفی (J2) برقرار است.

    خاموش شدن

    در این حالت گیت باید با امیتر اتصال کوتاه یا یک ولتاژ منفی به آن اعمال شود. وقتی ولتاژ گیت کمتر از ولتاژآستانه شد لایه بیرونی نمی تواند باقی بماند و منبع الکترونها در ناحیه رانشی N منفی مسدود می شود و در این زمان فرایند خاموش شدن شروع می شود. به علت تجمع زیاد حاملهای اقلیت تزریق شده در لایه رانشی N منفی در زمان هدایت مستقیم فرایند خاموش شدن نمی تواند به سرعت کامل شود. جریان کلکتور ابتدا به علت پایان الکترونها در کانال به سرعت وسپس همزمان با کاهش چگالی حاملهای تقلیت بر اثر باز ترکیب شدن به تدریج کاهش می یابد.

    ویژگیهای اساسی، مزایا ،معایب و ویژگیها در مقایسه با BJT ، MOSFET

    مزایا

    • چگالی زیاد هدایت جریان مستقیم و افت کم ولتاژ مستقیم در حالت روشن: IGBT ها دراری افت ولتاژ حالت روشن بسیار کم و چگالی زیاد جریان در حالت روشن در مقایسه با ماسفت های قدرت و ترانزیستور های دو قطبی هستند.
    • توان راه اندازی کم و مدار راه انداز ساده به سبب وجود ساختار ماسفتی در ورودی: یک IGBTدر مقایسه با قطعات کنترل شونده بوسیله جریان (تریستور و BJT ) در ولتاژ و جریان بالا بسیار آسانتر کنترل می شود.
    • ناحیه عملکرد ایمن وسیع: با توجه به مشخصه های خروجی،IGBT دارای قابلیت هدایت جریان بهتر و قابلیت انسداد معکوس و مستقیم ممتازتری نسبت به ترانزیستور های دو قطبی است.

    معایب

    • در مقایسه با ماسفت های قدرت IGBT دارای سرعت سوئیچینگ کمتری است ولی سرعت آن از BJT ها بسیار بالاتر است. جریان پس ماند کلکتور(حامل های اقلیت) باعث کاهش سرعت خاموش شدن آن می شود.
    • امکان قفل شدگی به علت وجود ساختار تریستوری PNPN .

    مقایسه خصوصیات IGBT با BJT و MOSFET

    Power Electronic IGBT (11)

    قفل شدگی

    همانطور که ذکر شد IGBT دارای 4 لایه متناوب PNPN است که یک ساختار تریستوری را بین کلکتور و امیتر تشکیل می دهند. قفل شدگی یعنی روشن شدن این تریستور، هنگامی که تریستور فعال می شود دیگر جریان IGBT گیت ماسفت کنترل نمی شود و ممکن است IGBT به علت جریان بیش از حد مجاز بین کلکتور و امیتر و در نتیجه افزایش پراکندگی توان آسیب ببیند.

    علل قفل شدگی

    1. قفل شدگی استاتیک: زمانی که جریانی از الکترون ها درون کانال جاری می شود، جریانی از حفره ها نیز در پایه سورس ماسفت برقرار می شود که باعث افت ولتاژ ورودی روی مقاومت Rs می شود. اگر این افت ولتاژ بیش از سد پتانسیل پیوند بین لایه Pبدنه وN منفی(J3) باشد ترانزیستور NPN روشن می شود و در صورتی که بهره جریان مجموع دو ترانزیستور NPN و PNP یک شود قفل شدگی اتفاق می افتد.
    2. قفل شدگی دینامیک: همگامی که IGBT خاموشش می شود، لایه تخلیه پیوند ناحیه رانشی Nمنفی وP بدنه (J2) به طور ناگهانی افزایش می یابد و IGBT در جریانی کمتر از 2/1 حالت استاتیک قفل می شود. به همین علت ناحیه عملکرد ایمن IGBT محدود می شود.

    پرهیز از قفل شدگی

    برای جلوگیری از قفل شدگی اولین روش جلوگیری از روشن شدن ترانزیستور NPN و دوم نگه نداشتن مجموع گین جریان های دو ترانزستور NPN و PNP کمتر از یک در صورت روشن شدن ترانزیستورNPN است.

    در مورد دوم می توان با وارد کردن لایه واسط N مثبت میان بسترP و ناحیه رانشیN منفی بهره جریان ترانزیستورPNP را کاهش داد اما باید بهره هر دو ترانزیستور کاهش پیدا کند، اما کاهش بهره جریان NPN مشکل است.

    مشخصه های 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 تهی به سمت ناحیه رانشیN منفی گسترش می یابد و باعث باریک شدن این ناحیه می گردد. برای بدست آوردن قابلیت های انسداد معکوس مناسب باید مقاومت ویژه و ضخامتی مناسب برای ناحیه رانشیN منفی در نظر گرفته شود. پهنای ناحیه رانشی N منفی برابر است با مجموع پهنای ناحیه تخلیه در ماکزیمم ولتاژکاری و درجه کاری حاملهای اقلیت.

     

     

    در شکل زیر کاربرد سوئیچ زنی igbt در طبقه اینوتر فرکانس کانورتر ها را می بینید


    این مطلب تا کنون 12 بار بازدید شده است.
    منبع
    برچسب ها : igbt ,ولتاژ ,جریان ,ناحیه ,ترانزیستور ,نیمه ,نیمه هادی ,ناحیه رانشی ,حالت روشن ,اتصال کوتاه ,حفاظت اتصال ,حفاظت اتصال كوتاه ,مدار حفاظت اتصال ,
    ترانزیستور دوقطبی با درگاه عایق‌شده IGBT

تبلیغات


    محل نمایش تبلیغات شما

پربازدیدترین مطالب

آمار

تبلیغات

محل نمایش تبلیغات شما

تبلیغات

محل نمایش تبلیغات شما

آخرین کلمات جستجو شده

تگ های برتر