IGBT ย่อมาจาก ฉนวนประตูไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์กำลังซึ่งรวมถึง คุณสมบัติของ MOSFET ความเร็วสูงการเปลี่ยนประตูขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและคุณสมบัติความต้านทาน ON ต่ำสุด (แรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวต่ำ) ของ a BJT .
รูปที่ 1 แสดงวงจรเทียบเท่า IGBT โดยที่ทรานซิสเตอร์สองขั้วทำงานร่วมกับสถาปนิกประตู MOS ในขณะที่วงจร IGBT ที่คล้ายกันนั้นเป็นส่วนผสมของทรานซิสเตอร์ MOS และทรานซิสเตอร์สองขั้ว
IGBT ซึ่งเป็นความเร็วในการเปลี่ยนที่รวดเร็วพร้อมกับคุณสมบัติของแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวน้อยที่สุดถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางตั้งแต่การใช้งานเชิงพาณิชย์เช่นในหน่วยควบคุมพลังงานแสงอาทิตย์และแหล่งจ่ายไฟสำรอง (UPS) ไปจนถึงสนามอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเช่นการควบคุมอุณหภูมิสำหรับ เตาแม่เหล็กไฟฟ้า , อุปกรณ์ปรับอากาศ PFC, อินเวอร์เตอร์และสโตรโบสโคปของกล้องดิจิตอล
รูปที่ 2 ด้านล่างแสดงการประเมินระหว่าง IGBT ทรานซิสเตอร์สองขั้วและเค้าโครงและแอตทริบิวต์ภายใน MOSFET กรอบพื้นฐานของ IGBT นั้นเหมือนกับของ MOSFET ที่มีเลเยอร์ p + ใส่ไว้ในส่วนท่อระบายน้ำ (ตัวเก็บรวบรวม) และยังมีจุดเชื่อมต่อ pn พิเศษ
ด้วยเหตุนี้เมื่อใดก็ตามที่พาหะของชนกลุ่มน้อย (รู) มีแนวโน้มที่จะแทรกผ่านชั้น p + ไปยังชั้น n ด้วยการมอดูเลตการนำไฟฟ้าความต้านทานของชั้น n จะลดลงอย่างมาก
ดังนั้น IGBT จึงลดลง แรงดันไฟฟ้าอิ่มตัว (ความต้านทาน ON ที่เล็กกว่า) เมื่อเทียบกับ MOSFET เมื่อต้องเผชิญกับกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่จึงทำให้สูญเสียการนำไฟฟ้าน้อยที่สุด
ต้องบอกว่าเมื่อพิจารณาว่าสำหรับเส้นทางการไหลออกของรูการสะสมของผู้ให้บริการรายย่อยในช่วงปิดเครื่องเป็นสิ่งต้องห้ามเนื่องจากการออกแบบ IGBT โดยเฉพาะ
สถานการณ์นี้ก่อให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า หางปัจจุบัน ซึ่งการปิดเครื่องจะช้าลง เมื่อกระแสหางพัฒนาขึ้นระยะเวลาการเปลี่ยนจะล่าช้าและช้ากว่าของ MOSFET ซึ่งส่งผลให้การสูญเสียเวลาในการเปลี่ยนเพิ่มขึ้นในช่วงระยะเวลาการปิด IGBT
คะแนนสูงสุดแน่นอน
ข้อกำหนดสูงสุดสัมบูรณ์เป็นค่าที่กำหนดเพื่อรับประกันการใช้งาน IGBT ที่ปลอดภัยและเสียง
การข้ามค่าสูงสุดสัมบูรณ์ที่ระบุเหล่านี้แม้เพียงชั่วขณะอาจส่งผลให้อุปกรณ์ถูกทำลายหรือพังได้ดังนั้นโปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ทำงานกับ IGBT ภายในระดับสูงสุดที่ยอมรับได้ตามที่แนะนำด้านล่าง
ข้อมูลเชิงลึกของแอปพลิเคชัน
แม้ว่าพารามิเตอร์การใช้งานที่แนะนำเช่นอุณหภูมิในการทำงาน / กระแส / แรงดัน ฯลฯ จะยังคงอยู่ในระดับสูงสุดที่แน่นอน แต่ในกรณีที่ IGBT มักจะรับภาระมากเกินไป (อุณหภูมิที่สูงมากการจ่ายกระแส / แรงดันไฟฟ้ามากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่รุนแรงเป็นต้น) ความทนทานของอุปกรณ์อาจได้รับผลกระทบอย่างรุนแรง
ลักษณะไฟฟ้า
ข้อมูลต่อไปนี้แจ้งให้เราทราบเกี่ยวกับคำศัพท์และพารามิเตอร์ต่างๆที่เกี่ยวข้องกับ IGBT ซึ่งโดยปกติจะใช้เพื่ออธิบายและทำความเข้าใจการทำงานของ IGBT โดยละเอียด
กระแสสะสม, การกระจายตัวของนักสะสม : รูปที่ 3 แสดงรูปคลื่นอุณหภูมิการกระจายตัวสะสมของ IGBT RBN40H125S1FPQ การกระจายตัวสะสมสูงสุดที่ยอมรับได้จะแสดงขึ้นสำหรับอุณหภูมิเคสต่างๆ
สูตรที่แสดงด้านล่างสามารถใช้ได้ในสถานการณ์ที่อุณหภูมิแวดล้อม TC = 25 องศาเซลเซียสขึ้นไป
พีซี = (Tjmax - Tc) / Rth (j - c)
สำหรับสภาวะที่อุณหภูมิแวดล้อม TC = 25 ℃หรือต่ำกว่าการกระจายตัวสะสม IGBT จะถูกนำไปใช้ตามการให้คะแนนสูงสุดสัมบูรณ์
สูตรในการคำนวณกระแสสะสมของ IGBT คือ:
Ic = (Tjmax - Tc) / Rth (j - c) × VCE (เสาร์)
อย่างไรก็ตามข้างต้นเป็นสูตรทั่วไปเป็นเพียงการคำนวณขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอุปกรณ์
กระแสสะสมของ IGBT ถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวของตัวสะสม / ตัวปล่อย VCE (sat) และขึ้นอยู่กับสภาวะปัจจุบันและอุณหภูมิด้วย
นอกจากนี้กระแสของตัวสะสม (สูงสุด) ของ IGBT ยังถูกกำหนดโดยปริมาณกระแสที่สามารถจัดการได้ซึ่งจะขึ้นอยู่กับวิธีการติดตั้งและความน่าเชื่อถือ
ด้วยเหตุนี้ผู้ใช้จึงไม่ควรใช้เกินขีด จำกัด สูงสุดที่ยอมรับได้ของ IGBT ในขณะที่ใช้ในแอปพลิเคชันวงจรที่กำหนด
ในทางกลับกันแม้ว่ากระแสของตัวรวบรวมอาจต่ำกว่าพิกัดสูงสุดของอุปกรณ์ แต่ก็อาจถูก จำกัด โดยอุณหภูมิทางแยกของหน่วยหรือพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย
ดังนั้นโปรดพิจารณาสถานการณ์เหล่านี้ในขณะที่ใช้ IGBT โดยปกติทั้งพารามิเตอร์กระแสตัวสะสมและการกระจายตัวของตัวสะสมจะถูกกำหนดให้เป็นอันดับสูงสุดของอุปกรณ์
พื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัย
SOA ของ IGBT ประกอบด้วย SOA แบบอคติไปข้างหน้าและ SOA แบบย้อนกลับอย่างไรก็ตามเนื่องจากช่วงของค่าเฉพาะอาจแตกต่างกันไปตามข้อกำหนดของอุปกรณ์ผู้ใช้ควรตรวจสอบข้อเท็จจริงที่เทียบเท่าในเอกสารข้อมูล รูปที่ 5 แสดงพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยต่ออคติล่วงหน้า (FBSOA) ของ IGBT RBN50H65T1FPQ SOA แบ่งออกเป็น 4 ภูมิภาคขึ้นอยู่กับข้อ จำกัด เฉพาะดังที่ระบุไว้ด้านล่าง: รูปที่ 6 แสดงให้เห็นถึงพื้นที่การทำงานแบบ reverse bias safe (RBSOA) ของ IGBT RBN50H65T1FPQ ลักษณะเฉพาะนี้ทำงานสอดคล้องกับ SOA อคติย้อนกลับของทรานซิสเตอร์สองขั้ว เมื่อใดก็ตามที่อคติย้อนกลับซึ่งไม่มีอคติจะถูกส่งไปทั่วประตูและตัวปล่อยของ IGBT ในช่วงเวลาปิดเครื่องสำหรับโหลดอุปนัยเราจะพบว่ามีการส่งกระแสไฟฟ้าแรงสูงไปยังตัวเก็บรวบรวม - ตัวปล่อยของ IGBT ในขณะเดียวกันกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่จะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องอันเป็นผลมาจากรูที่เหลือ ต้องบอกว่าในการทำงานนี้ไม่สามารถใช้ SOA อคติไปข้างหน้าได้ในขณะที่ SOA อคติย้อนกลับสามารถใช้งานได้ SOA อคติย้อนกลับแบ่งออกเป็น 2 พื้นที่ จำกัด ดังที่อธิบายไว้ในประเด็นต่อไปนี้ในที่สุดพื้นที่จะถูกกำหนดโดยการตรวจสอบขั้นตอนการทำงานจริงของ IGBT ดังนั้น ในขณะที่ออกแบบวงจรที่ใช้ IGBT ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าการกระจายตัวและปัญหาด้านประสิทธิภาพอื่น ๆ เป็นไปตามขอบเขตที่แนะนำและต้องดูแลคุณสมบัติเฉพาะและค่าคงที่การสลายของวงจรที่เกี่ยวข้องกับความทนทานต่อการสลายตัวด้วย ตัวอย่างเช่น SOA อคติย้อนกลับมีลักษณะอุณหภูมิซึ่งลดลงที่อุณหภูมิสูงมากและตำแหน่งการทำงานของ VCE / IC จะเปลี่ยนไปตามความต้านทานประตูของ IGBT Rg และแรงดันเกต VGE นั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงมีความสำคัญในการกำหนดพารามิเตอร์ Rg และ VGE เกี่ยวกับระบบนิเวศการทำงานและค่าความต้านทานประตูต่ำสุดในช่วงปิดสวิตช์ นอกจากนี้วงจรดูแคลนอาจเป็นประโยชน์ในการควบคุม dv / dt VCE รูปที่ 7 แสดงลักษณะเอาต์พุตของ IGBT RBN40H125S1FPQ รูปภาพแสดงแรงดันไฟฟ้าตัวเก็บรวบรวมในขณะที่กระแสของตัวเก็บรวบรวมผ่านภายในสถานการณ์แรงดันเกตแบบสุ่ม แรงดันไฟฟ้าตัวเก็บรวบรวมที่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการจัดการปัจจุบันและการสูญเสียระหว่างสภาพสวิตช์เปิด แตกต่างกันไปตามแรงดันประตูและอุณหภูมิของร่างกาย พารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้จำเป็นต้องนำมาพิจารณาในขณะที่ออกแบบวงจรขับ IGBT กระแสจะเพิ่มขึ้นเมื่อใดก็ตามที่ VCE ถึงค่า 0.7 ถึง 0.8 V แม้ว่าจะเป็นเพราะแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของทางแยก PN ตัวเก็บรวบรวม PN รูปที่ 8 แสดงให้เห็นถึงแรงดันอิ่มตัวของตัวสะสมและตัวปล่อยเทียบกับลักษณะแรงดันเกตของ IGBt RBN40H125S1FPQ โดยพื้นฐานแล้ว VCE (sat) จะเริ่มลดลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าของตัวปล่อยประตู VGE สูงขึ้นแม้ว่าการเปลี่ยนแปลงจะเป็นเพียงเล็กน้อยในขณะที่ VGE = 15 V หรือสูงกว่า ดังนั้นจึงขอแนะนำให้ทำงานกับแรงดันเกต / อีซีแอล VGE ที่ประมาณ 15 V ทุกครั้งที่ทำได้ รูปที่ 9 แสดงลักษณะของกระแสสะสมเทียบกับลักษณะแรงดันเกตของ IGBT RBN40H125S1FPQ ลักษณะ IC / VGE ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างไรก็ตามบริเวณของแรงดันไฟฟ้าประตูต่ำไปยังจุดตัดกันมีแนวโน้มที่จะเป็นค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นลบในขณะที่บริเวณแรงดันไฟฟ้าประตูสูงหมายถึงค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่เป็นบวก เมื่อพิจารณาว่า IGBT กำลังจะสร้างความร้อนขณะใช้งานจริง ๆ แล้วเป็นประโยชน์มากกว่าที่จะให้ความสนใจกับภูมิภาคสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวกโดยเฉพาะ เมื่อใช้งานอุปกรณ์แบบขนาน . แนะนำสภาวะแรงดันเกตโดยใช้ VGE = 15V แสดงลักษณะอุณหภูมิที่เป็นบวก รูปที่ 10 และ 11 แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวของตัวเก็บรวบรวมและแรงดันเกต เนื่องจากความจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวของตัวสะสม - ตัวปล่อยมีลักษณะสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวกจึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่กระแสจะไหลผ่านในขณะที่การทำงานของ IGBT กำลังกระจายอุณหภูมิจำนวนมากซึ่งจะทำให้เกิดการปิดกั้นกระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิผลในระหว่างการทำงานของ IGBT แบบขนาน ในทางตรงกันข้ามการทำงานของแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ตัวปล่อยประตูขึ้นอยู่กับลักษณะอุณหภูมิติดลบ ในระหว่างการกระจายความร้อนสูงแรงดันไฟฟ้าจะลดลง ทำให้มีความเป็นไปได้สูงขึ้นที่อุปกรณ์จะทำงานผิดปกติ อันเป็นผลมาจากการสร้างสัญญาณรบกวน ดังนั้นการทดสอบอย่างมีสติโดยมีศูนย์กลางอยู่ที่ลักษณะที่ระบุข้างต้นอาจมีความสำคัญ ลักษณะการชาร์จ: รูปที่ 12 แสดงลักษณะการชาร์จเกตของอุปกรณ์ IGBT แบบเสถียร ลักษณะของประตู IGBT นั้นสอดคล้องกับหลักการเดียวกันกับที่ใช้กับ MOSFET กำลังไฟและให้เป็นตัวแปรที่กำหนดกระแสของไดรฟ์ของอุปกรณ์และการกระจายของไดรฟ์ รูปที่ 13 แสดงเส้นโค้งลักษณะแบ่งออกเป็นช่วง 1 ถึง 3 ช่วงที่ 1: แรงดันไฟฟ้าของประตูจะเพิ่มขึ้นถึงแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ที่กระแสไฟฟ้าเพิ่งเริ่มไหล ส่วนที่ขึ้นจาก VGE = 0V คือส่วนที่รับผิดชอบในการชาร์จ Cge ความจุของตัวส่งสัญญาณเกต ช่วงเวลาที่ 2: ในขณะที่การเปลี่ยนจากพื้นที่แอ็คทีฟไปเป็นพื้นที่อิ่มตัวเกิดขึ้นแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บรวบรวม - ตัวปล่อยจะเริ่มเปลี่ยนแปลงและ Cgc ความจุตัวเก็บเกตจะถูกชาร์จ ช่วงเวลานี้มาพร้อมกับความจุที่เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเนื่องจากเอฟเฟกต์กระจกเงาซึ่งทำให้ VGE คงที่ ในทางกลับกันในขณะที่ IGBT อยู่ในสถานะเปิดโดยสิ้นเชิงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าระหว่างตัวเก็บรวบรวม - อีซีแอล (VCE) และเอฟเฟกต์กระจกจะหายไป ช่วงที่ 3: ในช่วงเวลานี้ IGBT เข้าสู่สภาวะอิ่มตัวอย่างสมบูรณ์และ VCE ไม่แสดงการเปลี่ยนแปลง ตอนนี้แรงดันไฟฟ้าประตู - ตัวปล่อย VGE เริ่มเพิ่มขึ้นตามเวลา กระแสไฟประตู IGBT ขึ้นอยู่กับความต้านทานชุดประตูภายใน Rg ความต้านทานแหล่งสัญญาณ Rs ของวงจรไดรเวอร์องค์ประกอบ rg ซึ่งเป็นความต้านทานภายในของอุปกรณ์และแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ VGE (ON) กระแสเกตไดรฟ์คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้ เมื่อคำนึงถึงสิ่งที่กล่าวมาข้างต้น IGBT ควรสร้างวงจรเอาต์พุตไดรเวอร์เพื่อให้แน่ใจว่ามีศักยภาพของไดรฟ์ปัจจุบันเทียบเท่าหรือใหญ่กว่า IG (สูงสุด) โดยปกติกระแสไฟฟ้าสูงสุดจะมีค่าน้อยกว่าค่าที่กำหนดโดยใช้สูตรเนื่องจากความล่าช้าที่เกี่ยวข้องกับวงจรขับและความล่าช้าในการเพิ่มขึ้นของ dIG / dt ของกระแสเกต สิ่งเหล่านี้อาจเกิดขึ้นจากลักษณะต่างๆเช่นการเหนี่ยวนำการเดินสายไฟจากวงจรไดรฟ์ไปยังจุดเชื่อมต่อประตูของอุปกรณ์ IGBT นอกจากนี้คุณสมบัติการสลับสำหรับการเปิดและปิดแต่ละครั้งอาจขึ้นอยู่กับ Rg เป็นอย่างมาก ในที่สุดสิ่งนี้อาจส่งผลกระทบต่อเวลาในการเปลี่ยนและการขาดดุลในการสับเปลี่ยน การเลือก Rg ที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ เกี่ยวกับลักษณะของอุปกรณ์ที่ใช้งาน การสูญเสียที่เกิดขึ้นในวงจรขับ IGBT สามารถอธิบายได้จากสูตรที่กำหนดด้านล่างหากการสูญเสียทั้งหมดที่พัฒนาจากวงจรไดรเวอร์ถูกดูดซับโดยปัจจัยต้านทานที่กล่าวถึงข้างต้น ( ฉ แสดงความถี่ในการเปลี่ยน) P (การสูญเสียไดรฟ์) = VGE (เปิด) × Qg × f เมื่อพิจารณาว่า IGBT เป็นส่วนประกอบสวิตชิ่งการเปิดสวิตช์ความเร็วปิดเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน (การสูญเสีย) รูปที่ 16 แสดงวงจรที่สามารถใช้ในการวัดการสลับโหลดตัวเหนี่ยวนำของ IGBT เนื่องจากแคลมป์ไดโอดต่อขนานกับโหลดอุปนัย L ความล่าช้าของการเปิด IGBT (หรือการสูญเสียการเปิดเครื่อง) มักจะได้รับผลกระทบจากลักษณะเวลาในการฟื้นตัวของไดโอด เวลาในการสลับของ IGBT ดังแสดงในรูปที่ 17 สามารถแบ่งออกเป็น 4 ช่วงเวลาการวัด เนื่องจากความจริงที่ว่าเวลาเปลี่ยนแปลงอย่างมากในทุกๆช่วงเวลาที่เกี่ยวกับสถานการณ์ Tj, IC, VCE, VGE และ Rg ช่วงเวลานี้จึงได้รับการประเมินด้วยเงื่อนไขที่ระบุไว้ต่อไปนี้ ตรงกันข้ามกับ Power MOSFETs ไฟล์ IGBT ไม่เกี่ยวข้องกับไดโอดปรสิต . ด้วยเหตุนี้ IGBT ในตัวที่มาพร้อมกับชิป Fast Recovery Diode (FRD) ที่ติดตั้งไว้ล่วงหน้าจึงถูกนำมาใช้สำหรับการควบคุมประจุเหนี่ยวนำในมอเตอร์และการใช้งานที่เหมือนกัน ในอุปกรณ์ประเภทนี้ประสิทธิภาพในการทำงานของทั้ง IGBT และไดโอดที่ติดตั้งไว้ล่วงหน้าส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์และการสร้างสัญญาณรบกวน นอกจากนี้การกู้คืนแบบย้อนกลับและคุณภาพของแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับไดโอดในตัว พาหะของชนกลุ่มน้อยที่เข้มข้นจะถูกระบายออกในระหว่างสถานะการเปลี่ยนเมื่อกระแสไปข้างหน้าผ่านไดโอดจนกว่าจะบรรลุสถานะองค์ประกอบย้อนกลับ เวลาที่จำเป็นสำหรับผู้ให้บริการรายย่อยเหล่านี้ในการปล่อยอย่างเต็มที่เรียกว่าเวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับ (trr) กระแสการดำเนินงานที่เกี่ยวข้องตลอดเวลานี้เรียกว่ากระแสการกู้คืนย้อนกลับ (Irr) และค่าหนึ่งของช่วงเวลาทั้งสองนี้เรียกว่าค่าการกู้คืนย้อนกลับ (Qrr) Qrr = 1/2 (เออร์ x trr) เมื่อพิจารณาว่าช่วงเวลา trr มีการลัดวงจรเทียบเท่ากับการสูญเสียครั้งใหญ่ นอกจากนี้ยัง จำกัด ความถี่ตลอดกระบวนการเปลี่ยน โดยรวมแล้ว trr ที่รวดเร็วและ Irr ที่ลดลง (Qrris small) ถือว่าเหมาะสมที่สุด คุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความลำเอียงไปข้างหน้า IF, diF / dt และอุณหภูมิทางแยก Tj ของ IGBT อย่างมาก ในทางกลับกันถ้า trr เร็วขึ้น di / dt จะส่งผลให้มีความชันมากขึ้นในช่วงระยะเวลาการกู้คืนเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับ dv / dt ของตัวเก็บรวบรวม - อีซีแอลที่สอดคล้องกันซึ่งทำให้แนวโน้มในการสร้างสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้น ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างที่ให้วิธีการตอบโต้การสร้างสัญญาณรบกวน คุณสมบัติการกู้คืนแบบย้อนกลับขึ้นอยู่กับความสามารถในการทนต่อแรงดัน / กระแสของอุปกรณ์อย่างมีนัยสำคัญ คุณสมบัตินี้สามารถปรับปรุงได้โดยใช้การจัดการอายุการใช้งานการแพร่กระจายของโลหะที่หนักหน่วงและเทคนิคอื่น ๆ อีกมากมาย รูปที่ 19 แสดงลักษณะเอาต์พุตของไดโอดในตัวของ IGBT มาตรฐาน แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของไดโอด VF หมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงซึ่งเกิดขึ้นเมื่อกระแส IF ผ่านไดโอดวิ่งไปในทิศทางของแรงดันตกไปข้างหน้าของไดโอด เนื่องจากคุณสมบัตินี้อาจส่งผลให้สูญเสียพลังงานในระหว่างการสร้าง EMF ย้อนกลับ (ไดโอดล้อหมุนฟรี) ในมอเตอร์หรือการใช้งานอุปนัยจึงแนะนำให้เลือก VF ที่เล็กกว่า นอกจากนี้ตามที่แสดงในรูปที่ 19 ลักษณะสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวกและลบจะถูกกำหนดโดยขนาดกระแสไปข้างหน้าของไดโอด IF รูปที่ 20 แสดงลักษณะความต้านทานของ IGBT ต่อการถ่ายเทความร้อนและไดโอดในตัว คุณลักษณะนี้ใช้สำหรับกำหนดอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ Tj ของ IGBT ความกว้างของพัลส์ (PW) ที่แสดงบนแกนนอนหมายถึงเวลาในการเปลี่ยนซึ่งกำหนดพัลส์ช็อตเดียวและผลลัพธ์ของการดำเนินการซ้ำ ๆ ตัวอย่างเช่น PW = 1ms และ D = 0.2 (duty cycle = 20%) หมายถึงความถี่ในการทำซ้ำคือ 200Hz เนื่องจากช่วงเวลาการทำซ้ำคือ T = 5ms ถ้าเราจินตนาการถึง PW = 1ms และ D = 0.2 และกำลังกระจาย Pd = 60W เป็นไปได้ที่จะระบุการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทางแยก IGBT ΔTjในลักษณะต่อไปนี้: แอพพลิเคชั่นที่ต้องใช้วงจรสวิตชิ่ง IGBT แบบบริดจ์เช่นอินเวอร์เตอร์วงจรป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร (กระแสเกิน) มีความจำเป็นในการอดทนและป้องกันความเสียหายในช่วงเวลานั้นจนกว่าแรงดันเกต IGBT จะปิดแม้ในสถานการณ์ที่เอาต์พุตลัดวงจรของยูนิต . รูปที่ 21 และ 22 แสดงเวลาแบริ่งลัดวงจรและความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของ IGBT RBN40H125S1FPQ การลัดวงจรที่ทนต่อความจุของ IGBT มักแสดงโดยคำนึงถึงเวลา tSC ความสามารถในการทนต่อนี้พิจารณาจากแรงดันเกตอิมิตเตอร์อุณหภูมิร่างกายและแรงดันไฟฟ้าของ IGBT เป็นหลัก สิ่งนี้ควรได้รับการพิจารณาในขณะที่ออกแบบการออกแบบวงจร IGBT H-bridge ที่สำคัญ นอกจากนี้ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เลือกใช้อุปกรณ์ IGBT ที่ได้รับการจัดอันดับสูงสุดในแง่ของพารามิเตอร์ต่อไปนี้ นอกจากนี้ในช่วงเวลาที่ไฟฟ้าลัดวงจรหรือวงจรป้องกันโหลดเกินตรวจจับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและปิดแรงดันไฟฟ้าของประตูกระแสไฟฟ้าลัดวงจรนั้นมีขนาดใหญ่กว่าขนาดกระแสไฟฟ้ามาตรฐานของ IGBT อย่างไม่น่าเชื่อ ในระหว่างกระบวนการปิดเครื่องด้วยกระแสไฟฟ้าที่มากโดยใช้ความต้านทานเกตมาตรฐาน Rg อาจทำให้เกิดแรงดันไฟกระชากขนาดใหญ่เกินพิกัด IGBT ด้วยเหตุนี้คุณต้องเลือกความต้านทานเกต IGBT ให้เหมาะสมกับการจัดการกับสภาวะไฟฟ้าลัดวงจรโดยมีค่าความต้านทานเกตสูงกว่าค่าความต้านทานปกติอย่างน้อย 10 เท่า (แต่ยังคงอยู่ในค่า SOA ของอคติไปข้างหน้า) นี่คือเพื่อต่อต้านการสร้างแรงดันไฟกระชากข้าม ledas ตัวรวบรวม - ตัวปล่อยของ IGBT ในช่วงที่กระแสไฟฟ้าลัดวงจรถูกตัดออก นอกจากนี้การลัดวงจรที่ทนต่อเวลา tSC อาจทำให้เกิดการกระจายของไฟกระชากข้ามอุปกรณ์เชื่อมโยงอื่น ๆ ต้องใช้ความระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่ามีระยะขอบที่เพียงพออย่างน้อย 2 เท่าของกรอบเวลามาตรฐานที่จำเป็นสำหรับวงจรป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรในการเริ่มทำงาน คะแนนสูงสุดสัมบูรณ์สำหรับอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ Tj คือ 150 ℃ แต่ Tjmax = 175 ℃ถูกกำหนดตามข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์รุ่นใหม่เพื่อให้ทนต่อข้อกำหนดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เพื่อรับประกันการทำงานที่มีประสิทธิภาพที่ Tjmax = 175 ℃พารามิเตอร์หลายตัวสำหรับการทดสอบความสอดคล้องมาตรฐานที่ 150 ℃ได้รับการปรับปรุงและดำเนินการตรวจสอบการปฏิบัติงาน ต้องบอกว่าสนามทดสอบมีความหลากหลายตามข้อกำหนดของอุปกรณ์ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณได้ตรวจสอบข้อมูลความน่าเชื่อถือที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ที่คุณอาจใช้สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม ในทำนองเดียวกันโปรดจำไว้ว่าค่า Tjmax ไม่ได้เป็นเพียงข้อ จำกัด สำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่อง แต่ยังเป็นข้อกำหนดสำหรับกฎระเบียบที่ไม่ควรเกินแม้สักครู่ ความปลอดภัยจากการกระจายอุณหภูมิสูงแม้ในช่วงเวลาสั้น ๆ สำหรับ IGBT ในระหว่างการสลับเปิด / ปิดจะต้องได้รับการพิจารณาอย่างเคร่งครัด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ทำงานกับ IGBT ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เกินอุณหภูมิกรณีสลายสูงสุดที่ Tj = 175 ℃ การสูญเสียการนำไฟฟ้า: ในขณะที่จ่ายไฟอุปนัยผ่าน IGBT การสูญเสียที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นการสูญเสียการนำไฟฟ้าและการสูญเสียการสลับ การสูญเสียที่เกิดขึ้นทันทีที่ IGBT ถูกเปิดอย่างสมบูรณ์เรียกว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้าในขณะที่การสูญเสียเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่ IGBT เปลี่ยนจากเปิดเป็นปิดหรือปิดเป็นเปิดเรียกว่าการสูญเสียการสลับ เนื่องจากความจริงแล้วการสูญเสียขึ้นอยู่กับการใช้แรงดันไฟฟ้าและกระแสตามที่แสดงไว้ในสูตรที่กำหนดด้านล่างการสูญเสียเกิดขึ้นจากผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัว VCE (sat) ของตัวสะสม - ตัวปล่อยแม้ในขณะที่อุปกรณ์กำลังดำเนินการ VCE (sat) ควรน้อยที่สุดเนื่องจากการสูญเสียอาจทำให้เกิดความร้อนภายใน IGBT การเปลี่ยนการสูญเสีย: เนื่องจากการสูญเสีย IGBT อาจเป็นเรื่องท้าทายในการประมาณโดยใช้เวลาในการเปลี่ยนตารางอ้างอิงจึงรวมอยู่ในเอกสารข้อมูลที่เกี่ยวข้องเพื่อช่วยนักออกแบบวงจรในการพิจารณาการสูญเสียการสลับ รูปที่ 24 ด้านล่างแสดงให้เห็นถึงลักษณะการสูญเสียการสลับสำหรับ IGBT RBN40H125S1FPQ ปัจจัย Eon และ Eoff ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากกระแสสะสมความต้านทานประตูและอุณหภูมิในการทำงาน กัป (เปิดการสูญเสียพลังงาน) ปริมาณการสูญเสียที่พัฒนาขึ้นในระหว่างกระบวนการเปิดเครื่องของ IGBT สำหรับโหลดอุปนัยพร้อมกับการสูญเสียการกู้คืนที่การกู้คืนไดโอดแบบย้อนกลับ Eon คำนวณจากจุดที่แรงดันเกตถูกขับเคลื่อนไปยัง IGBT และกระแสของตัวเก็บรวบรวมเริ่มเดินทางจนถึงจุดเวลาที่ IGBT ถูกเปลี่ยนเป็นสถานะเปิดอย่างสมบูรณ์ Eoff (ปิดการสูญเสียพลังงาน เป็นขนาดของการสูญเสียที่เกิดขึ้นในช่วงปิดการทำงานของโหลดอุปนัยซึ่งรวมถึงกระแสไฟท้าย Eoff วัดจากจุดที่เพิ่งตัดกระแสประตูและแรงดันไฟฟ้าตัวเก็บรวบรวมเริ่มปีนขึ้นไปจนกระทั่งถึงจุดที่ IGBT เข้าสู่สถานะปิดโดยสมบูรณ์ อุปกรณ์ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบหุ้มฉนวน (IGTB) เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสามขั้วซึ่งโดยทั่วไปใช้เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์และเป็นที่รู้จักกันในการให้การผสมผสานระหว่างการสลับที่รวดเร็วมากและประสิทธิภาพสูงในอุปกรณ์รุ่นใหม่ ๆ เครื่องใช้ไฟฟ้าสมัยใหม่เช่น VFDs (Vaiable Frequency Drives), VSF (ตู้เย็นแบบปรับความเร็วรอบได้), รถไฟ, ระบบสเตอริโอพร้อมวงจรขยายสัญญาณ, รถยนต์ไฟฟ้าและเครื่องปรับอากาศใช้ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบหุ้มฉนวนสำหรับเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า สัญลักษณ์ของโหมดพร่อง IGBT ในกรณีที่แอมพลิฟายเออร์ใช้ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์แบบหุ้มฉนวนมักจะสังเคราะห์รูปคลื่นซึ่งมีความซับซ้อนตามธรรมชาติพร้อมกับฟิลเตอร์ความถี่ต่ำและการมอดูเลตความกว้างพัลส์เนื่องจากทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบหุ้มฉนวนได้รับการออกแบบมาเพื่อเปิดและปิดในจังหวะที่รวดเร็วและรวดเร็ว อัตราการทำซ้ำของพัลส์ถูกอวดโดยอุปกรณ์ที่ทันสมัยซึ่งประกอบด้วยแอพพลิเคชั่นสวิตชิ่งและอยู่ในช่วงอัลตราโซนิกซึ่งเป็นความถี่ที่สูงกว่าความถี่เสียงสูงสุดที่จัดการโดยอุปกรณ์ถึงสิบเท่าเมื่อใช้อุปกรณ์ในรูปแบบของ เครื่องขยายเสียงอนาล็อก MOSFET ที่ประกอบด้วยกระแสไฟฟ้าสูงและคุณสมบัติของเกตไดรฟ์แบบธรรมดาจะรวมกับทรานซิสเตอร์สองขั้วซึ่งมีความจุแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวต่ำโดย IGTB อุปกรณ์เดียวถูกสร้างขึ้นโดย IGBT โดยการรวมทรานซิสเตอร์กำลังสองขั้วซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์และ FET ประตูแยกซึ่งทำหน้าที่เป็นอินพุตควบคุม ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบหุ้มฉนวน (IGTB) ส่วนใหญ่ใช้ในแอปพลิเคชันซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์หลายตัวซึ่งวางขนานกันและส่วนใหญ่มีความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าที่สูงมากซึ่งอยู่ในช่วงหลายร้อยแอมแปร์พร้อมกับ แรงดันไฟฟ้าปิดกั้น 6000V ซึ่งจะเท่ากับหลายร้อยกิโลวัตต์ใช้พลังงานปานกลางถึงสูงเช่นการเหนี่ยวนำความร้อนแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดและการควบคุมมอเตอร์ฉุด ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบหุ้มฉนวนซึ่งมีขนาดใหญ่ ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบหุ้มฉนวน (IGTB) เป็นสิ่งประดิษฐ์ใหม่และล่าสุด อุปกรณ์รุ่นแรกที่คิดค้นและเปิดตัวในปี 1980 และต้นปี 1990 พบว่ามีกระบวนการสลับค่อนข้างช้าและมีแนวโน้มที่จะล้มเหลวจากโหมดต่างๆเช่นการล็อค (ซึ่งอุปกรณ์จะยังคงเปิดต่อไปและไม่เปิด ปิดจนกว่ากระแสจะไหลผ่านอุปกรณ์) และการแยกย่อยทุติยภูมิ (เมื่อกระแสไฟฟ้าสูงไหลผ่านอุปกรณ์ฮอตสปอตที่แปลแล้วในอุปกรณ์จะเข้าสู่การระบายความร้อนและส่งผลให้อุปกรณ์ไหม้) มีการปรับปรุงอย่างมากในอุปกรณ์รุ่นที่สองและอุปกรณ์รุ่นใหม่ที่สุดในบล็อกอุปกรณ์รุ่นที่สามถือว่าดีกว่าอุปกรณ์รุ่นแรก อุปกรณ์รุ่นที่สามประกอบด้วย MOSFET ที่มีความเร็วในการแข่งขันและความทนทานและความทนทานในระดับดีเยี่ยม อุปกรณ์ของรุ่นที่สองและรุ่นที่สามประกอบด้วยอัตราการเต้นของชีพจรซึ่งสูงมากซึ่งทำให้มีประโยชน์มากในการสร้างพัลส์พลังงานขนาดใหญ่ในด้านต่างๆเช่นฟิสิกส์ของพลาสมาและอนุภาค ดังนั้นอุปกรณ์รุ่นที่สองและสามจึงแทนที่อุปกรณ์รุ่นเก่าทั้งหมดเป็นส่วนใหญ่เช่นช่องว่างของประกายไฟและไทราตรอนที่ใช้ในสาขาฟิสิกส์และอนุภาคของพลาสมาเหล่านี้ อุปกรณ์เหล่านี้ยังดึงดูดผู้ที่ชื่นชอบการใช้ไฟฟ้าแรงสูงเนื่องจากคุณสมบัติของการให้คะแนนพัลส์สูงและมีจำหน่ายในตลาดในราคาที่ต่ำ สิ่งนี้ช่วยให้ผู้ทำงานอดิเรกสามารถควบคุมพลังงานจำนวนมหาศาลเพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์ต่างๆเช่นขดลวดกัมและขดลวดเทสลา ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบหุ้มฉนวนมีจำหน่ายในช่วงราคาที่เหมาะสมจึงทำหน้าที่เป็นตัวเปิดใช้งานที่สำคัญสำหรับรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า มารยาท: เรเนซัส ส่งต่อพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยโดยมีอคติ
พื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยแบบย้อนกลับอคติ
ลักษณะคงที่
ของ IGBT ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
ลักษณะความจุของประตู
ขั้นตอนการทำงานที่เกี่ยวข้องกับแต่ละช่วงเวลามีคำอธิบายด้านล่าง
วิธีตรวจสอบ Gate Drive Current
IG (สูงสุด) = VGE (เปิด) / Rg + Rs + rg 
การคำนวณการสูญเสียไดรฟ์
ลักษณะการสลับ
เปลี่ยนเวลา
ลักษณะไดโอดในตัว
ลักษณะการกู้คืนไดโอดในตัว
ลักษณะแรงดันไปข้างหน้าของไดโอดในตัว
ลักษณะการต้านทานความร้อน
ΔTj = Pd ×θj - c (t) = 60 × 0.17 = 10.2 โหลดลักษณะการลัดวงจร
อุณหภูมิทางแยกสูงสุด Tjmax สำหรับ 175 ℃
.
ตารางที่ 3 แสดงตัวอย่างที่ดีของเงื่อนไขการทดสอบสำหรับ IGBT RBN40H125S1FPQ ซึ่งออกแบบมาให้ทน 175 ℃ในขณะที่ใช้งานในกรณีที่มีอุณหภูมิสูง
การสูญเสีย IGBT
การสูญเสีย (P) = แรงดันไฟฟ้า (V) ×กระแส (I)
การสูญเสียการเปิดเครื่อง: P (เปิด) = VCE (sat) × IC 
สรุป
IGBT สำหรับแอปพลิเคชันปัจจุบันสูง
IGBT เป็นการผสมผสานระหว่าง BJT และ Mosfet
IGBT เป็นทรานซิสเตอร์ขั้นสูงที่สุด
Mosfets ใหม่กำลังแข่งขันกับ IGBT
คู่ของ: วิธีการทำเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อมหรือเซลล์แสงอาทิตย์จากชาผลไม้ ถัดไป: โมดูลไดรเวอร์ MOSFET H-Bridge อย่างง่ายสำหรับอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์
