Tranzistorul IGBT

9 TRANZISTORUL BIPOLAR CU

POART~ IZOLAT~ (IGBT)

Tranzistoarele bipolare ]i MOSFET au, fiecare n parte, o serie de performan\e foarte avantajoase pentru aplicatii, dar ]i unele dezavantaje care limiteaz` dimensiunea aplica\iei. Astfel tranzistorul bipolar n raport cu cel MOSFET are avantajele: capacitate mai mare n curent ]i tensiune; c`dere mic` de tensiune in conduc\ie, VCEON. Pe de alt` parte dezavantajele mai importante sunt: timpi relativ mari de comuta\ie; curent ]i putere de comand` mare; prezen\a satura\iei; pericolul de distrugere prin cea de a doua str`pungere. Tranzistorul MOSFET este avantajos din motivele: timpi mici de comuta\ie; comand` de putere mic`, n tensiune; inexisten\a satura\iei ]i a celei de a doua str`pungeri. {n schimb capacitatea de preluare a tensiunilor ]i curen\ilor este relativ mic`. O mbinare a avantajelor celor dou` tipuri de tiristoare s-a reg`sit ntr-un nou dispozitiv semiconductor de putere numit tranzistor bipolar cu poart` izolat` IGBT.

TRANZISTORUL BIPOLAR CU POART~ IZOLAT~ 134

9.1 STRUCTUR~. POLARIZARE

O structur` vertical` printr-un IGBT cu canal n este prezentat` n fig.9.1, iar n fig.9.2 simbolizarea acestuia. Straturile unui tranzistor IGBT sunt: stratul colectorului de tip p+, nalt dopat, 1019/cm3; stratul de s`r`cire de tip n-, slab dopat, 1014/cm3; corpul p, mediu dopat, 1017/cm3; stratul emitorului n2

+ , nalt dopat, 1019/cm3. Suplimentar la unele tranzistoare se mai g`se]te ]i stratul tampon n1

+, nalt dopat 1019/cm3 .

Dac` tranzistorul nu are stratul tampon se nume]te IGBT simetric, n caz contrar asimetric. Influen\a prezen\ei acestui strat va fi prezentat` interior. Emitorul tranzistorului se conecteaz` la stratul n2

+ prin intermediul metaliz`rii 1, din aluminiu. Metalizarea por\ii G este separat` de corpul p prin stratul de oxid de siliciu, 2. Pentru analiza polariz`rii se consider` poarta izolat`. Polarizarea direct` const` n aplicarea polarit`\ii plus pe colectorul C al tranzistorului. Este polarizat` invers doar jonc\iunea J2, bariera de poten\ial extinzndu-se n toat` grosimea stratului n-, IGBT-ul putnd sus\ine tensiuni de pn` la 1500 2500V. {n cazul polariz`rii inverse, minusul pe colector, exist` diferen\e ntre tranzistorul simetric ]i asimetric. Astfel pentru tranzistorul asimetric, fig.9.1, sunt polarizate invers jonc\iunile J1 ]i J3. Fiind

Fig.9.1 Structur`. Fig.9.2 Simbolul IGBT-ului cu canal n.

DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE DE PUTERE 135

jonc\iuni de tip n+ p, respectiv n+ p+, barierele de poten\ial sunt reduse, iar capacitatea n tensiune invers` de ordinul zecilor de vol\i. {n cazul tranzistorului simetric, lipsind stratul n1

+, jonc\iunea J1 este format` din straturile n- p+ , bariera de poten\ial fiind de acela]i ordin de m`rime ca la polarizarea direct`. A]adar tranzistorul simetric poate func\iona alimentat att n c.c. ct ]i c.a., n timp ce tranzistorul asimetric poate func\iona alimentat numai cu tensiune continu`. Se realizeaz` foarte rar ]i IGBT-uri cu canal de tip p, structura fiind asem`n`toare, iar tipul straturilor inversat.

9.2 FUNC|IONARE. CARACTERISTICA STATIC~

Stare de func\ionare a unui IGBT se realizeaz` dac` este polarizat ca n fig.9.3. Produc`tori de IGBT-uri furnizeaz` mai multe tipuri de scheme echivalente func\ionale, care permit descrierea func\ion`rii acestui tranzistor. O astfel de schem` echivalent` simplificat` este prezentat` n fig.9.4, unde IGBT-ul este nlocuit printr-un tranzistor MOSFET cu canal n ]i un tranzistor bipolar pnp. Rezistorul Rn

-1 materializeaz` rezisten\a stratului n-. Tranzistorul MOSFET materializeaz` partea de comand` a IGBT-ului care este similar` cu cea a tranzistorului MOSFET, n sensul c` n corpul p se creeaz`, prin cmp electric, canalul de tip n. Prin acest canal electronii injecta\i din surs`, polarizat` negativ, se reg`sesc n dren, iar prin stratul n- n baza tranzistorului pnp, comandnd intrarea rapid` n conduc\ie a acestuia. Blocarea tranzistorului pnp se face prin blocarea conduc\iei MOSFET-ului. {n felul acesta se realizeaz` comanda n tensiune, deci de putere mic`, ]i timpi de comuta\ie mici. Pe de alt` parte prezen\a ntre colector ]i emitor a tranzistorului pnp asigur` o c`dere de tensiune VCEON comparabil` cu cea de la tranzistoarele bipolare. Se evit` de asemenea fenomenul satura\iei, comanda pe poart` fiind n cmp electric. Pozi\ia tranzistorului pnp, T1, n structura IGBT-ului este prezentat` n fig.9.7. Caracteristicile statice, ic=f(VCE), au forma din fig.9.5 ]i se analizeaz` mpreun` cu caracteristica de transfer ic = f(VGE) din fig.9.6.


{n ceea ce prive]te familia de caracteristici statice se definesc zonele: dreapta VCESUS, , care limiteaz` tensiunea maxim` admis` n sens

direct, la valori mai mari dect VCESUS ap`rnd fenomenul primei str`pungeri, cu acelea]i caracteristici ca la tranzistoarele bipolare;

zona activ`, cu acelea]i propriet`\i ca la MOSFET; zona ohmic`; pentru tranzistoarele simetrice tensiunea VBR, de pr`bu]ire n sens

invers.

Caracteristica de transfer are exact acelea]i propriet`\i ca la tranzistorul MOSFET. Stabilirea punctului de func\ionare se face n acela]i mod ca la tranzistorul MOSFET, n sensul [ndeplinirii condi\iilor:

Fig.9.3 Schem` de func\ionare. Fig.9.4 Schem` echivalent` simplificat`.

Fig.9.5 Caracteristica static`. Fig.9.6 Caracteristica de transfer.


s` asigure la curent maxim, tensiune VCEON minim`, punctul de func\ionare plasndu-se pe curba de separa\ie ntre zonele activ` ]i ohmic`;

punctul de func\ionare s` se g`seasc` n interiorul ariei de func\ionare sigur`, SOA, de form` asem`n`toare cu cea de la MOSFET.

Tensiunea VCEON, care caracterizeaz` IGBT-ul, are valori ntre 0,9 , 2,2V. Alegerea ]i calculul regimului termic urmeaz` aceea]i metodologie de la tranzistorului MOSFET.

9.3 AUTOAMORSAREA

Structura IGBT-ului este practic de tipul pnpn, identic` cu cea a unui tiristor obi]nuit. Din acest motiv IGBT-ul este suspect de apari\ia fenomenului de autoamorsare, dup` modelul de la tiristorul obi]nuit.

{n mod normal curentul de colector se nchide ntre stratul de colector p+ ]i stratul de emitor n+ , traversnd corpul p. Acest curent este desenat cu linie continu` n fig.9.7. Pentru a se evita efectele nedorite ce apar la MOSFET, metalizarea emitorului acoper` par\ial ]i corpul tranzistorului. Astfel poate s` apar` a]a numitul curent lateral, iL, desenat cu linie ntrerupt`, direct ntre colector ]i emitor, f`r` traversarea stratului n2

+ . Se pune astfel n eviden\` un alt tranzistor, T2 , de tip npn, format din straturile n-pn2

+ , care completeaz` schema echivalent`

Fig.9.7 Autoamorsarea. Fig.9.8 Schem` echivalent` complet`.


simplificat` din fig.9.4, dup` schema din fig.9.8. Acest tranzistor are ntre baz` ]i emitor rezistorul Rc , care corespunde rezisten\ei corpului p. {nchiderea curentului lateral, iL, prin corp produce c`derea de tensiune uL, fig.9.8, cu polaritatea plus pe baz`, propor\ional` cu acest curent. Cnd curentul de colector este relativ mare ]i curentul lateral iL cap`t` valori apreciabile. Tensiunea uL din baza tranzistorului T2 devine suficient de mare nct tranzistoarele T1 ]i T2, a c`ror schem` este identic` cu cea de la tiristorul obi]nuit, s` intre n procesul de autoamorsare. Efectele autoamors`rii conduc la: intrarea n satura\ie a celor dou` tranzistoare T1 ]i T2 nso\it` de o

cre]tere accentuat` a curentului de colector ]i distrugerea IGBT-ului; imposibilitatea bloc`rii conduc\iei prin comand` pe poart`, aceasta

fiind dezactivat` prin apari\ia autoamors`rii; blocarea conduc\iei se poate realiza numai prin anularea curentului

de colector prin acelea]i mijloace ca la tiristorul obi]nuit. Evitarea acestui fenomen se realizeaz` n dou` moduri. Pentru structuri de tipul celei din fig.9.7 trebuie men\inut curentul de colector

CMc Ii , (9.1)

unde ICM este curentul maxim de colector admis de IGBT pentru care nu apare fenomenul autoamors`rii.

A doua variant`, care evit` limitarea de mai sus, const` n modificarea constructiv` prezentat` n fig.9.9. Evitarea autoamors`rii const` n mic]orarea tensiunii uL prin reducerea rezisten\ei corpului RC, n zona de nchidere a curentului lateral. {n acest sens corpul se realizeaz` din dou` regiuni, p cu doparea de 1017/cm3 ]i p+ cu dopare 1019/cm3. Regiunea p+ , avnd evident o conductivitate mai mare, va conduce la o tensiune uL redus` ]i se va evita intrarea n conduc\ie a tranzistorului T2 ]i apariatia fenomenului de autoamorsare. Pericolul apari\iei acestui fenomen este sporit n procesul de blocare

a conduc\iei, cnd ca urmare a curentului relativ mare ]i a tensiunii colector-emitor n cre]tere, tensiunea uL scap` de sub control ]i IGBT-ul

Fig.9.9 Structur` pentru evitarea autoamors`rii.


r`mne n conduc\ie, de]i comanda pe poart` este activat` pentru ie]irea din conduc\ie.

9.4 CARACTERISTICI DINAMICE. CIRCUITE DE COMANDA PE POART~

Intrare ]i ie]ire din conduc\ie a IGBT-ului, avnd n vedere structura de comand`, este identic` cu a MOSFET-ului, n sens c` efectul capacit`\ilor parazite poart`-emitor, CGE, ]i poart`-colector, CGC, intervin n procesul de comuta\ie n acela]i mod ca ]i capacit`\ile CGD ]i CGS. Diferen\ele care apar constau n: timpi mai mari de intrare n conduc\ie, tON, ]i ie]ire din conduc\ie

tOFF, valorile fiind de ordinul sutelor de nanosecunde; la nceputul ie]irii din conduc\ie, naintea nceperii sc`derii

curentului de colector, apare un vrf destul de nsemnat al acestui curent, cauzat de nceperea recombin`rii golurilor din stratul de colector;

la tranzistorul asimetric prezen\a stratului tampon n1+ , asigur` o

recombinare direct` a golurilor din stratul de colector, reducnd supracurentul ]i mic]ornd substan\ial timpul de blocare tOFF;

ca urmare a impedan\ei mari de intrare a circuitului de poart` pot s` apar` oscila\ii ale comenzii, motiv pentru care se introduc filtre pe semnalul de comand`, iar conexiunile circuitului de comand` se realizeaz` cu lungime ct mai mic`. Un circuit tipic de comand` pe poart`, fig.9.10, este aproape identic cu cel de la MOSFET. Diferen\ele constau n:

prezen\a filtrului RC pentru prentmpinarea oscila\iilor comenzii;

Fig.9.10 Circuit de comand` pe poart`.


polarizarea negativ` la ie]irea din conduc\ie cu scopul de a reduce vrful de curent de la nceputul bloc`rii.

Nivelul polariz`rii negative este de maxim 5V nivel la care reducerea vrfului de curent este substan\ial`. Peste aceast` valoare vrful de curent nu se mai mic]oreaz`. Se men\ioneaz` c` acest vrf de curent este suportat f`r` probleme de IGBT, reducerea lui fiind, cel mai adesea, solicitat` de sarcin` . Simulitudinea comenzii IGBT-urilor ]i MOSFET-urilor merge pn` la identitate, n sensul c` se realizeaz` drivere de poart` integrate cu utilizare pentru ambele tipuri de tranzistoare.

9.5 CIRCUITE DE PROTEC|IE

Protec\iile necesare pentru un IGBT sunt acelea]i de la MOSFET ]i se realizeaz` n acela]i mod. In privin\a protec\iei la supracurent, se men\ioneaz` utilizarea numai a primei metode, ca urmare a faptului c` nu se realizeaz` IGBT-uri cu senzor de curent nglobat. O alt` diferen\` const` n sensibilitatea IGBT-ului la gradient de tensiune dVCE/dt n procesul de ie]ire din conduc\ie. Astfel dac` gradientul este prea mare poate s` apar` fenomenul de autoamorsare. Produc`torii indic` o arie de operare sigur` la polarizare a por\ii invers`, RBSOA, fig.9.11, care limiteaz` valorile curentului de colector iC, n func\ie de gradientul dvCE/dt, pentru vGE < 0.

Oricum gradientul dvCE/dt admis este mult mai mare fa\` de celelalte dispozitive semiconductoare de putere. Mic]orarea gradientului dvCE/dt se realizeaz`, la fel ca la toate dispozitivele semiconductoare de putere, prin circuite RC n paralel colector-emitor, dup` modelul de la MOSFET. Avnd n vedere capacitatea mare n curent a IGBT-urilor, uneori se utilizeaz` doar o capacitate n paralel

cu circuitul colector-emitor.

Fig.9.11 Aria de operare sigur` RBSOA.


9 TRANZISTORUL BIPOLAR CU POART~ IZOLAT~ (IGBT) ................................133 9.1 STRUCTUR~. POLARIZARE...............................................................................134 9.2 FUNC|IONARE. CARACTERISTICA STATIC~...............................................135 9.3 AUTOAMORSAREA .............................................................................................137 9.4 CARACTERISTICI DINAMICE. CIRCUITE DE COMANDA PE POART~.....139 9.5 CIRCUITE DE PROTEC|IE ..................................................................................140

Documents

Tranzistorul IGBT