I D(A) U GS
b. Quỏ trỡnh khúa
Dạng ủiện ỏp, dũng ủiện của quỏ trỡnh khoỏ thể hiện trờn hỡnh 1.27. Quỏ trỡnh khúa bắt ủầu khi diện ỏp ủiều khiển giảm từ UG xuống -UG. Trong thời gian trễ khi khúa td(off) chỉ cú tụ ủầu vào Cge phúng ủiện qua dũng ủiều khiển ủầu vào với hằng số thời gian bằng CgeRG, tới mức ủiện ỏp Miller. Bắt dầu từ mức Miller ủiện ỏp giữa cực ủiều khiển và Emitter bị giữ khụng ủổi do ủiện ỏp Ucc bắt ủầu tăng lờn và do ủú tụ Cgc bắt ủầu ủược nạp ủiện. Dũng ủiều khiển bõy giờ sẽ hoàn toàn là dũng nạp cho tụ Cgc nờn ủiện ỏp UGE ủược giữ khụng ủổị điện ỏp Ucc tăng từ giỏ trị bóo hũa Ucc.on tới giỏ trị ủiện ỏp nguồn Udc sau khoảng thời gian trV. Từ cuối khoảng trV diode D0 bắt ủầu mở ra cho dũng tải I0 ngắn mạch qua, do ủú dũng Collector bắt ủầu giảm. Quỏ trỡnh giảm diễn ra theo hai giai ủoạn, tfi1 và tfi2. Trong giai ủoạn ủầu,
thành phần dũng i1 của MOSFET trong cấu trỳc bỏn dẫn IGBT suy giảm nhanh chúng về khụng. điện ỏp UGC ra khỏi mức Miller và giảm về mức ủiện ỏp ủiều khiến ở ủầu vào -UG với hằng số thời gian:
RG(Cgc + Cgc)
Ở cuối khoảng tfi1, Ugc ủạt mức ngưỡng khúa của MOSFET. UGE(th) tương ứng với việc MOSFET bị khúa hoàn toàn. Trong giai ủoạn hai, thành phần dũng i2 của Transistor p-n-p bắt ủầu suy giảm. Quỏ trỡnh giảm dũng này cú thể kộo rất dài vỡ cỏc ủiện tớch trong lớp n- bị mất ủi do quỏ trỡnh tự trung hũa ủiện tớch tại chỗ. đú là vấn ủề ủuụi dũng ủiện ủó núi ủến ở phần trờn.
Tổn hao năng lượng trong quỏ trỡnh khúa cú thể tớnh gần ủỳng bằng: Qoff = 0 2 dc U .I toff
Lớp n- trong cấu trỳc bỏn dẫn của IGBT giỳp giảm ủiện ỏp rơi khi dẫn, vỡ khi ủú số lượng cỏc ủiện tớch thiểu số (cỏc lỗ) tớch tụ trong lớp này làm giảm ủiện trở ủỏng kể. Tuy nhiờn cỏc ủiện tớch tớch tụ này lại khụng cú cỏch gỡ di chuyển ra ngoài một cỏch chủ ủộng ủược, làm tăng thời gian khúa của phần tử. Ở ủõy cụng nghệ chế tạo bắt buộc phải thoả hiệp. So với MOSFET, IGBT cú thời gian mở tương ủương nhưng thời gian khúa dài hơn, cỡ 1 ủến 5 às.
Thời gian khúa của IGBT cú thế rỳt ngắn nếu thờm vào một lớp ủệm n+ như trong cấu trỳc Punch Through IGBT như minh họa trờn hỡnh 1.28. Cấu trỳc này cú một Thyristor ký sinh lạo từ ba tiếp giỏp bỏn dẫn p-n, J1. J2, J3. Trong cấu trỳc này mật ủộ cỏc ủiện tớch dương, cỏc lỗ, suy giảm mạnh theo hướng từ cỏc lớp p+ ủến n- ủến n+, ủiều này giỳp quỏ trỡnh tự trung hũa cỏc ủiện tớch dương trong lớp n- xảy ra nhanh hơn. Cụng nghệ này tạo ra cỏc IGBT cực nhanh với thời gian khúa ≤ 2às.
Ị6.3. Vựng làm việc an toàn, SOA (Safe Operating Area)
Vựng làm việc an toàn của cỏc phần tử bỏn dẫn cụng suất, SOA, ủược thể hiện dưới dạng ủồ thị quan hệ giữa giỏ trị ủiện ỏp và dũng ủiện lớn nhất mà phần tử cú thể hoại ủộng ủược trong mọi chế ủộ, khi dẫn, khi khúa cũng như trong quỏ trỡnh ủúng cắt SOA của IGBT cú dạng như ủược biểu diễn trờn hỡnh 1.29.
Hỡnh 1.29 thể hiện SOA của IGBT trong hai trường hợp. Hỡnh 1.29a là SOA khi ủiện ỏp ủặt lờn cực ủiều khiển và Emitter là dương, hỡnh 1.29b là SOA khi ủiện ỏp này là õm. SOA khi ủiện ỏp ủiều khiển dương cú dạng hỡnh chữ nhật với hạn chế ở gúc phớa trờn, bờn phải, tương ứng với chế ủộ dũng ủiện và ủiện ỏp lớn. điều này nghĩa là khi chu kỳ ủúng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao, thỡ khả
SiO2 Cực điều khiển p j1 n+ n+ j2 j3 n+ n- p+ Cực gốc Vùng thân Vùng Base Lớp đệm Lớp phát sinh điện tắch Cực máng Hỡnh 1.28. Cấu trỳc bỏn dẫn của một IGBT cực nhanh (Punch Through IGBT)
năng dũng cắt cụng suất càng phải ủược suy giảm. SOA khi ủặt ủiện ỏp ủiều khiển õm lờn cực ủiều khiển và Emitter lại bị giới hạn ở vựng cụng suất lớn do tốc ủộ tăng ủiện ỏp trờn Collector - Emitter khi IGBT khúa lạị đú là vỡ khi tốc ủộ tăng ủiện ỏp quỏ lớn sẽ dẫn ủến xuất hiện dũng ủiện lớn ủưa vào vựng p của cực ủiều khiển, tỏc dụng giống như dũng ủiều khiển làm IGBT mở trở lại như tỏc dụng ủối với cấu trỳc của Thyristor. Tuy nhiờn khả năng chịu ủựng tốc ủộ tăng ỏp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở cỏc phần tử bỏn dẫn cụng suất khỏc.
Giỏ trị lớn nhất của dũng Collector ICM ủược chọn sao cho trỏnh ủược hiện tượng chết giữ dũng, khụng khúa lại ủược, giống như ở Thyristor. Hơn nữa, ủiện ỏp ủiều khiển lớn nhất UGE cũng phải ủược chọn ủể cú thể giới hạn ủược dũng ủiện ICE trong giới hạn lớn nhất cho phộp này trong ủiều kiện sự cố ngắn mạch, bằng cỏch chuyển bắt buộc từ chế ủộ bóo hũa sang chế ủộ tuyến tớnh. Khi ủú dũng ICE ủược giới hạn khụng ủổi, khụng phụ thuộc vào ủiện ỏp UCE lỳc ủú. Tiếp theo IGBT phải ủược khúa lại trong ủiều kiện ủú, càng nhanh càng tốt ủể trỏnh phỏt nhiệt quỏ mónh liệt. Trỏnh ủược hiện tượng chốt giữ dũng bằng cỏch liờn tục theo dừi dũng Collector là ủiều cần phải làm khi thiết kế ủiều khiển IGBT.
Ị6.4. Yờu cầu ủối với tớn hiệu ủiều khiển IGBT
IGBT là phần tử ủiều khiển bằng ủiện ỏp, giống như MOSFET, nờn yờu cầu ủiện ỏp ủiều khiển liờn tục trờn cực ủiều khiển và Emitter ủế xỏc ủịnh chế ủộ khúa, mở. Mạch ủiều khiển cho IGBT cú yờu cầu tối thiểu như ủược biểu diễn qua sơ ủồ trờn hỡnh 1.30. Tớn hiệu mở cú biờn ủộ UCE, tớn hiệu khúa cú biờn ủộ -UCE cung cấp cho mạch G-E qua ủiện trở RG. Mạch
G-E ủược bảo vệ bởi diode ổn ỏp ở mức khoảng ổ 18 V. Do cú tụ ký sinh lớn giữa G và E nờn kỹ thuật ủiều khiển như ủiều khiển MOSFET cú thể ủược ỏp dụng, tuy nhiờn ủiện ỏp khúa phải lớn hơn. Núi chung tớn hiệu ủiều khiển thường ủược
Hỡnh 1.30. Yờu cầu ủối với tớn hiệu ủiều khiển Q2 Q1 RG 18V IGBT +UGE -UGE UG Hỡnh 1.29. Vựng làm việc an toàn của IGBT: