Igbt- Princip rada Glava 2

IGBT- dijagram struje i napona u ciklusu uključivanja i isključivanja

Na sl.3. je prikazan dijagram u kolu koje se nalazi pod induktivnim opterećenjem (CIL- clamped inductive load).

Ovaj dijagram je primenjiv na oba elektronička kola (inverter i čoper konstrukciju koji pogone induktivno opterćenje). Ovo je stvarni dijagram koji reflektuje efekte „recovery“ diode i „zalutalog“ induktiviteta, te će principi ovog ciklusa biti objašnjeni za svaki region zasebno. Zajedno, razumevanje Igbt prekidačkog dijagrama i osnovnog principa rada je neophodno u dizajniranju Igbt drajvera.

Sl.3  IGBT prekidački dijagram

Kao što se vidi na Sl.3 dijagram uključenja je veoma sličan Mosfetovim prekidačkim karakteristikama kao i isključenja takođe, sem strujnog repa.

Sl.4 Šema testnog kola

1. Analiza ciklusa uključenja

t(0) regija

Ovo je početak ciklusa prekidanja, gde Ig (struja gejta) puni parazitske kapacitete Cge i Cgc, u isto vreme napon Vge raste do Vge(th). Dijagram pokazuje da je to povećanje linearno, ali u stvarnosti je to eksponencijalna kriva sa vremenskom konstantom Rg(Cge + Cgc). U ovoj regiji napon Vce se ne menja i vreme kašnjenja Ic je definisano kao vreme koje je potrebno naponu gejta da naraste od 10% od Vgg do momenta kada Ic dostigne vrednost od 10% od Io. Upravo se većina vremena kašnjenja odnosi na ovaj region.

t(1) regija

Odmah nakon što V(ge) pređe vrednost V(th) formira se kanal na P bazi ispod oksida gejta i počinje sa provođenjem struje. Tokom ovog perioda Igbt je u aktivnom regionu, te struja Ic koja je u vezi sa V(ge) koji je opet iznad V(th) počinje da raste. U ovoj regiji struja Ic raste do struje  punog opterećenja (Io). U t(1) i t(2) regiji se čini kao da je vrednost Vce smanjena u odnosu na Vd. To je tačno, zato što je V(ls) = Ls x d(Ic) / d(t), gde je V(ls) napon na Ls dok struja kolektora Ic raste. Vrednost smanjenja Vce je u direktnoj vezi sa d(Ic) / d(t) i Ls i promene njegovog oblika su uslovljene u skladu sa Ic obrazcem.

t(2) i t(3) regija

U I(d) obrazcu, struja diode počinje da opada već u t(1) regiji. U svakom slučaju, ona ne opadne odmah do 0A,

ali tu postoji obrnuti proces oporavka ili obnove koji traje jedno kratko vreme (po tom vremenu obnove pravca provodljivosti se diode i razlikuju po brzini „fast, soft….recovery“), s obzirom da struja teče u obrnutom smeru. Kao što smo rekli u prvom tekstu, ova struja se sabira po istom obrazcu sa Ic, a na dijagramu je prikazan „pik“ u regijama t(2) i t(3). Za ovo vreme napon na diodi se obnavlja i raste dok Vce opada i to rapidno od trenutka kad Vce ima najveću i Cgc najmanju vrednost. Zbog ovog fenomena d(Vce) / d(t) je prilično veliki u ovom trenutku.

U t(3) regiji, kapacitet Cgc apsorbira i prazni struju iz gejt drajva, i prazni struju iz Cge. Na kraju regije t(3) dolazi do zatvaranja procesa obrnute obnove diode.

t(4) regija

Takođe i u ovoj regiji struja gejta Ig puni C(gc), Vge zadržava konstantnu vrednost pri punoj struji opterećenja (Io), te i Ic zadržava potpunu struju opterećenja (Io), dok za to vreme napon Vce pada po jednačini

(VGG-VGE,Io)/(RGCgc). 

Do tog vremena Vce je značajno smanjen, a tu je i naponski rep usled toga što Cgc ima visoku vrednost kada je Vce nizak.

t(5) regija

U ovoj regiji Vge ponovo raste do V(gg+) sa RG(Cge+Cgc,miller) kao vremenskom konstantom. C(gc,miller) je kapacitet kolektor-gejta koji je porastao sa niskom vrednošću V(ce) zbog Milerovog efekta. U ovoj regiji se V(ce) polako smanjuje na „On stanje“ napona kolektor-emiter i postaje potpuno zasićen. To se desilo zbog toga što je PNP dio Igbt-a sporiji nego Mosfet diou prelasku aktivnog područja da dosegne stanje uključeno („On stanje“) ili stanje visokog zasićenja, kao i učinkom Milerovog efekta C(gc,miller).

2. Analiza ciklusa isključenja

t(6) regija

Ovo je regija od td(off) (vreme kašnjenja isključenja), gde Vge pada od ubrizganog V(gg+) napona do napona pri punom strujnom opterećenju (Vge,Io) sa vremenskom konstantom Rg x (Cge + Cgc,miller). U ovom vremenu nema promena vrednosti Vce ili Ic.

t(7) regija

U ovoj regiji Vce počinje da raste,a vrednost se može kontrolisati po sledećoj jednačini:

d(Vce) / d(t) = Vge,Io / (Cres x Rg)

t(8) regija

U ovoj regiji se Vce održava na vrednosti Vd, dok se Ic smanjuje u odnosu koji je ekvivalentan sledećoj jednačini (vrednost smanjenja se takođe može kontrolisati sa Rg):

d(Ic) / d(t) = g(fs) x {Vge,Io  /  (Cies x Rg)}

Kao i na prelaznom regionu prilikom uključivanja i ovde se pojavljuje prenapon u t(7) i t(8) regijama kao posledica napona Vls = Ls x (d(Ic) / d(t)) koji je ubrizgan u rasipni induktivitet od efekta d(Ic) / d(t) i  dodat u regiju kolektor-emiter Igbt-a. Regija t(8), prva od dve regije gde Ic opada, je regija gde Mosfet struja nestane iz Igbt-ove Ic.

t(9) regija

U ovoj regiji BJT struja od Igbt-ove struje kolektora (Ic) nestaje, i ova struja se često naziva „strujni rep“. To je uzrokovano rekombinacijom manjinskih nosača šupljina koji su ubrizgani u strujanje N sloja. Zbog ove regije su prekidačke karakteristike Igbt-a inferiornije od prekidačkih karakteristika Mosfet-a.

U sledećem tekstu ćemo se detaljno upoznati sa osnovama dizajniranja gejt drajva.

Prethodna - Glava1           Sledi - Glava3 prvi deo