e ترانزیستور دوقطبی با درگاه عایقشده IGBT الکترونیک صنعتی

اسماعیل بخش زاد محمودی

09118315058

09336485452

09373054607

09390617786

http://telegram.me/Electronic_iran

mehrsa_bm

Esmail_bakhshzad@yahoo.com esmail2bakhshzad@gmail.com

*راهنمای سفارش پروژه*




www.doctronics.co.uk

www.powerengineering.blogfa.com

www.Elecdl.com

www.uoguelph.ca

www.doctronics.co.uk

http://www.sardarjangal.ir

وبلاگ مهندسی برق الکترونیک

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Google

در اين وبلاگ
در كل اينترنت

الکترونیک مقدماتی

مقاومت

سلف

خازن

دیود

دیود زنر

یک سوسازی دیود

ترانزیستور BJT

دیجیتال Digital

الکترونیک صنعتی

تایرستورها Thyristors

ترایاک TRIAC

ماسفت MOSFET

ترانزیستور دوقطبی IGBT

مبدل های DC به DC

اینورترها(DC/AC Inverter)

میکرو الکترونیک AVR

برنامه نویسی Assembl

1. مقدمه

2. دستورات محاسباتی



11.مدارات میکروکنترلر 8051

12.مدارات میکروکنترلر PIC

13.مدارات میکروکنترلر AVR

14.مدارات دیجیتال Digital

15.مدارات آنالوگ Analog

 


 


دانلود نرم افزارهای کاربردی

 


Content on this page requires a newer version of Adobe Flash Player.

Get Adobe Flash player

ساعت

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.

Power Electronic IGBT (01)

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.

Power Electronic IGBT (02)

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.

Power Electronic IGBT (03)

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.

Power Electronic IGBT (05)

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.

Power Electronic IGBT (07)

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.

Power Electronic IGBT (09)

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.

Power Electronic IGBT (10)

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 IGBT در 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 زیر چند نوع IGBT و همچنین یک فایل PDF برای محاسبه روابط راه اندازی یک IGBT همراه با محاسبه دما و .... آورده شده آنها را می توانید از لینک زیر دانلود کنید.

لینک دانلود دیتاشت یک نمونه IGBT SKP10N60A:

لینک دانلود دیتاشت یک نمونه BUP314 IGBT :

لینک دانلود روابط موردنیاز برای راه اندازیIGBT :

http://s2.picofile.com/file/7825132789/DataSheet_IGBT.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

Power Electronic IGBT (12)

Power Electronic IGBT (13)

توانایی انسداد مستقیم

زمانی که پایه گیت به امیتر اتصال کوتاه شود و ولتاژی مثبت به پایه کلکتور اعمال شود پیوند بین P بیس و ناحیه رانشی N منفی (J2) به صورت معکوس بایاس می شود و ناحیه تهی در داخل ناحیه رانشی N منفی تشکیل می شود و این حالت تا ولتاژ مجاز برقرار می ماند.

جریان نشتی

جریان نشتی به دو نوع تقسیم می شود یک جریان نشتی از ناحیه تهی رانشی و دوم جریان روی سطح پایانی پبوند. در IGBT از یک لایه بستر P مثبت استفاده شده است که با وجود بهبود سرعت سوئیچینگ، جریان نشتی آن نسبت به ماسفت قدرت افزایش پیدا کرده است. جریان نشتی با سریع تر شدن IGBT افزایش می یابد. همچنین با افزایش ولتاژ وجریان مجاز مقدار این جریان زیاد می شود.

مشخصه های هدایت مستقیم

به سبب نوع ساختار IGBT می توان آن را به صورت یک اتصال سری از ماسفت و دیود پین(Pin Diod) و یا بصورت یک ترانزیستور PNP با بیس پهن که بوسیله یک ماسفت راه اندازی می شود در یک ترکیب دارلینگتون در نظر گرفت. حالت اول برای فهم رفتار قطعه استفاده می شود ولی حالت دوم نحوه عملکرد IGBT را بهتر توضیح می دهد.

Power Electronic IGBT (14)

شکل نمودار مشخصه های استاتیک IGBT را نشان می دهد. حتی اگر کانال ماسفت در قسمت ورودی ایجاد شود تا زمانی که ولتاژ آند به کاتد به تقریبا 0.7V نرسد جریان کلکتور برقرار نمی شود. بعلاوه جریان زمانی اشباع می شود که ولتاژ روی کانال ماسفت بزرگتر از VGE-Vth شود.

در IGBT های متقارن همانطور که جریان کلکتور با افزایش ولتاژ آن افزایش می یابد. نرخ افزایش آن نیز با افزایش ولتاژ کلکتور افزایش می یابد. و به همین صورت با افزایش ولتاژ کلکتور کانال کوتاهتر شده و در نتیجه مقاومت خروجی محدود تر می شود. به منظور افزایش مقاومت خروجی از یک یک ساختار نامتقارن با اضافه کردن لایه واسط Nمثبت بین بستر P مثبت و ناحیه رانشی مثبت و ناحیه رانشی N منفی استفاده می شود. در یک ساختار نا متقارن با افزایش ولتاژ کلکتور پهنای قسمت ناتهی ناحیه رانشی Nمنفی به سرعت تغییر نمی کند و پهنای آن برای مقادیر مختلفی از ولتاژ کلکتور تقریبا یکسان می ماند. در نتیجه بهره جریان ترانزیستور PNP کاهش پیدا می کند. به همین علت است که IGBT های نامتقارن دارای مشخصه های خروجی بسیار بهتری نسبت به نوع متقارن هستند.

مشخصه های دمای بالا

یکی از مهمترین پارامتر هایی که باید در بکار بردن IGBT در نظر گرفته شود تغییر مشخصه های آن بر اثر تغییر دماست. هنگامی که دما افزایش می یابد سد انرژی پیوند 1 بین بستر P مثبت و ناحیه رانشی N منفی (پیوند بیس امیتر ترانزیستور PNP) کاهش می یابد که سبب کم شدن ولتاژ آستانه می شود. همان طور که مقاومت کانال افزایش می یابد مقدار جریان الکترونها کم شده و بهره جریان که نسبت جریان حفره ها به جریان الکترونها است افزایش می یابد و بعلاوه مقاومت ناحیه N منفی (بیس ترانزیستور PNP ) نیز افزایش می یابد. به سبب این مشخصه ها، در جریان های کم کلکتور تغییرات ولتاژ پیوند 1 (J1) از تغییر مقاومت های کانال و ناحیه رانشی N منفی بزرگتر است و به همین جهت IGBT دارای ضریب حرارتی منفی همانند ترانزیستور های دو قطبی است . از سوی دیگر مقاومت کانال و ناحیه N منفی ولتاژ حالت روشن را در جریانهای زیاد کلکتور مشخص می کنند که همین منجر به یک ضریب دمایی مثبت همانند ماسفت قدرت می شود. نقطه تقاطع این دو مشخصه برای محصولات مختلف متفاوت است. و افت ولتاژ روی کلکتور امیتر مستقل از درجه حرارت در نقطه تقاطع است.

ناحیه عملکرد ایمن (SOA)

ناحیه عملکرد ایمن یک نیمه هادی قدرت نمایش گرافیکی از حداکثر حد ولتاژ و جریان عملیاتی است. نواحی عملکرد ایمن مستقیم (FBSOA) و بایاس معکوس (RBSOA ) ناحیه عملکرد ایمن نیمه هادی قدرت در حالتی که پیوند گیت امیتر آن به صورت مستقیم و معکوس بایاس شده است را نشان می دهد. این ناحیه حداکثر ولتاژی است که قطعه می تواند در جریان اشباع کلکتور تحمل کند. همانطور که در شکل مشخص است این ناحیه برای زمانهای سوئیچینگ بسیار کوتاه به صورت یک مربع است. سطح این ناحیه با افزایش میزان تغییر ولتاژ کلکتور به امیتر برای جلوگیری از قفل شدگی کاهش می یابد. خوشبختانه مقدار که باعث قفل شدگی می شود در IGBT ها بسیار بیشتر از قطعات دیگر است.

Power Electronic IGBT (15)

مقدار ماکزیمم Vce به منظور محدود کردن جریان در حالتهای اشتباه بدون درنظر گرفتن ولتاژ درین به سورس مشخص شده است. پرهیز از قفل شدگی و کنترل مداوم جریان توسط ولتاژ گیت از مشخصه های مطلوب این قطعه است.

پارامتر های برگه اطلاعات

مقادیر ماکزیمم

VCES ( ولتاژ کلکتور امیتر ماکزیمم)

ماکزیمم ولتاژ مجاز بین کلکتور و امیتراست زمانی که گیت وامیتر اتصال کوتاه است. اگر ولتاژ کلکتور امیتر از این حد تجاوز کند پیوند بین کلکتور امیتر شکسته شده و قطعه آسیب می بیند.

VGES (ولتاژ گیت امیتر ماکزیمم)

ماکزیمم ولتاژی است که میتوان بین کلکتور و امیتر اعمال کرد. مقدار این ولتاژ بستکی به ضخامت و مشخصات لایه اکسید گیت دارد.

Ic (ماکزیمم جریان کلکتور در Tc=25℃ وTc=100℃ )

ماکزیمم جریان DC است که میتواند در قطعه جاری شود که با توجه به دما تعیین می شود. این پارامتر به توانایی قطعه در از دست دادن حرارت نیز بستگی دارد.

ICM (جریان پالسی کلکتور)

حداکثر جریانی است که می تواند در قطعه در حداکثر دمای پیوند برقرار شود. مقدار این جریان با تغییر عرض پالس، سیکل کاری و وضعیت پراکندگی حرارت تغییر می کند.

IF جریان مستقیم پیوسته دیود در (Tc=100℃)

حداکثر جریان DC دیود در حالت بایاس مستقیم است که در دمای Tc تعیین می شود.

IFM (حداکثر جریان مستقیم دیود)

جریان قله ای است که می تواند در حالت مستقیم در حداکثر دمای پیوند در دیود برقرار شود.

Tsc (زمان تحمل اتصال کوتاه در Tc=100℃)

حداکثر زمانی است که قطعه می تواند در حالت اتصال کوتاه تحمل کند.

PD (ماکزیمم پراکندگی توان در در Tc=25℃وTc=100℃ )

ماکزیمم مقدار پراکندگی توان است با فرض افزایش دمای پیوندتا حد مجاز در دمای درTc=25℃ وTc=100℃ .

Tj (دمای عملیاتی پیوند)

محدوده استاندارد صنعتی این مقدار بین 55- تا 150 درجه سانتیگراد است. حداکثر مقدار این دما ℃ 150 است.

Tstg (محدوده دمای ذخیره سازی)

محدوده ای از دماست برای ذخیره سازی یا انتقال قطعه که بین ℃55- تا ℃150 است.

TL (ماکزیمم دمای لحیم کاری)

این مقدار ماکزیمم دمای سرب در هنگام لحیم کاری است. این دما نباید از 300℃ در 5 ثانیه برای 1.8 اینچ از سطح بدنه بیشتر شود.

پارامتر های حرارتی

توان تلف شده در قطعه به حرارت تبدیل می شود که این حرارت می تواند باعث افزایش دمای پیوند و در نتیجه تنزل مشخصه ها و کوتاه شدن عمر قطعه است. پس بسیار مهم است که این حرارت تولید شده در داخل قطعه به سرعت از ان خارج شود.

امپدانس حرارتی Zthjct مقدار توانایی قطعه در پراکنده کردن حرارت را نشان می دهد.

Power Electronic IGBT (16)

اگر انتقال حرارت را همانند جریان در نظر بگیریم می توان کانال انتقال حرارت را همانطور که در شکل نشان داده شد با یک مدار الکتریکی نشان می دهد.

RθJA (مقاومت حرارتی پیوند تا محیط)

مقاومت حرارتی بین پیوند و محیط را می توان با RθJA مشخص ومقدار آن را از فرمول زیر محاسبه کرد:

RθJA = RθJC + RθCS + RθSA  [℃/W

RθJC (مقاومت حرارتی پیوند تا بدنه)

یک مقاومت حرارتی داخلی از پیوند تا بدنه قطعه است. مقدار این مقاومت به نوع طراحی بدنه قطعه و مواد بکار برده شده در ساختمان بستگی دارد. RθJC را می توان در دمای Tc=25℃ از فرمول زیر محاسبه کرد.

RθJAC=/W

Tc=25℃ وضعیتی است که در آن هیت سینک بینهایت است.

هیت سینک بینهایت: هیت سینکی است که دمای بدنه را با دمای محیط برابر می کند.

RθCS (مقاومت حرارتی بدنه تا هیت سینک)

RθCS مقدار مقاومت حرارتی بین بدنه قطعه و هیت سینک است. مقدار این مقاومت به نوع عایق ،روغن حرارتی،ضخامت وروش نصب هیت سینک بستگی دارد.

RθSA (مقاومت حرارتی بین هیت سینک ومحیط)

RθSA مقدار مقاومت حرارتی بین هیت سینک و محیط را مشخص می کند که مقدار آن به شکل هندسی هیت سینک،سطح تماس ،کیفیت آن و روش های خنک کردن بستگی دارد.

مشخصه های الکتریکی

حالت خاموش

BVCES (ولتاژ شکست کلکتور- امیتر)

این مقدار ولتاژ شکست بین کلکتور و امیتر در حالت اتصال کوتاه بودن گیت-امیتر است.

ΔBVCES/ΔTj (ضریب حرارتی ولتاژ شکست)

ولتاژ شکست بین کلکتور و امیتر دارای ضریب حرارتی مثبتی است که عموما مقدار آن برابر 0.6V/℃ است.

ICES (جریان قطع کلکتور)

ماکزیمم جریان نشتی بین کلکتور وامیتر است با گیت-امیتر اتصال کوتاه و اعمال ولتاژ مجاز به کلکتور و امیتر.

IGES (جریان نشتی گیت-امیتر)

ماکزیمم جریان نشتی گیت-امیتر است با کلکتور-امیتر اتصال کوتاه شده و اعمال ولتاژ مجاز به گیت وامیتر.

حالت روشن

VGE(th) (ولتاژآستانه گیت-امیتر)

ولتاژ بین گیت-امیتر است که به ازای آن جریان کلکتور برقرار می شود. در برگه اطلاعات VGE(th) به معنای ولتاژی است که به ازای آن جریان مشخصی از کلکتور عبور می کند.

VCE Sat (ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر)

یکی از مهمترین پارامترهای تعیین کننده مقدار تلفات هدایتی قطعه است . مقدار آن ولتاژ افت کرده روی کلکتور امیتر در زمان برقراری جریان مجاز در امیتردر Tc=20℃ و Tc=100℃ و VGE=15V است. هنگامی که مقدار جریان کلکتور کم است ضریب حرارتی VCE Sat منفی و زمانی که مقدار جریان کلکتور زیاد است ضریب حرارتی آن مثبت است.

مشخصه های دینامیک

ظرفیت خازنی IGBT معمولا تحت شرایط معینی اندازه گیری می شود و همان طور که در شکل نشان داده شده مقدار آن نسبت عکس با ولتاژ کلکتور-امیتر دارد. در برگه اطلاعات مقدار نوعی این ظرفیت تحت شرایط VGE=0 وf=1MHz وVCE=30V ارائه می شود.

Cies (ظرفیت خازنی ورودی)

ظرفیت خازنی ورودی زمانی که کلکتور و امیتر اتصال کوتاه شده را نشان می دهد.

Coes (ظرفیت خازنی خروجی)

ظرفیت خازنی خروجی زمانی است که گیت و امیتر اتصال کوتاه شده اند.

Cres (ظرفیت خازنی انتقال معکوس)

ظرفیت خازنی بین پایه های کلکتور وامیتر را نشان می دهد.

مشخصه های سوئیچینگ

یک مدار دیود جهش با بار سلفی در شکل نشان داده شده است. عموما در الکترونیک قدرت با این مدار روبرو هستیم. ما به کمک این مدار رفتار IGBT را در روشن شدن وخاموش شدن بررسی می کنیم. شکل یک شکل موج سوئیچینگ واقعی را براساس مشخصه های دیود باز یافت و القاکنایی پراکنده نشان می دهد.

Power Electronic IGBT (17)با توجه به اینکه IGBT در ورودی دارای یک ساختار ماسفت است ،حالت های گذر خاموش و روشن آن بسیار شبیه ماسفت های قدرت است.

معرفی یک درایور یا راه انداز برای IGBT

مدارهای مختلفی برای راه اندازی و کار با IGBT ها وجود دارد که می شود بسته به نیاز از آنها استفاده نمود اما در این زمینه نیز تراشه های به بازار راه پیدا کرده که دانستن نوع کارکرد آنها نیز برای آموزش و استفاده بهینه از این تراشه قدرت مند بدون سود نخواهد بود در زیر یک نمونه از این نوع درایور ها که در انواع راه اندازهای IGBT استفاده شده است آورده شده شما می توانید برگه مشخصات آن را از لینک معرفی شده دانلود کنید و آنرا در مدار مورد نظر خود استفاده نماید تا حداکثر کارکرد مناسب را از دستگاه خود ببرید.

لینک دانلود راه انداز TLP250 - IGBT :

http://s3.picofile.com/file/7825136662/DataSheet_TLP250_.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

Power Electronic IGBT (18)

یک نمونه راه انداز برای IGBT

مدار شکل زیر یک نمونه راه انداز برای کنترل یک سوئیچ IGBT می باشد که توسط آن پایه گیت IGBT کنترل می شود با پالس اعمالی به پایه های اپتوایزولاتور پایه گیت تحریک شده و سبب

Power Electronic IGBT (19)

روشن شدن لامپ می شود. دو دیود زنر 10 ولت که به صورت برعکس هم، در مدار قرار گرفته اند جهت محافظت از اپتوایزولاتورها در مدار بکار رفته اند در حقیقت اگر IGBT ما آسیب ببیند جلوگیری می کند از عبور ولتاژ بالا مثلا در این مدار 240 ولت به مدار درایور.

Power Electronic IGBT (20)

توجه: شما می توانید مدارهای طراحی شده بالا را در نرم افزار شبیه ساز Proteus v7 آزمایش کنید می توانید آنها را همراه با مثال های دیگر از لینک معرفی شده همین بخش دانلود نمائید.

لینک دانلود:

http://s4.picofile.com/file/7825138709/Power_Electronic_IGBT_.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

شکل های زیر نیز مدار های راه انداز برای IGBT هستند

Power Electronic IGBT (21)

Power Electronic IGBT (22)


نسخه ی pdf قابل دانلود این صفحه:

لینک دانلود:

http://s2.picofile.com/file/7825154836/Power_Electronic_004_.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

راھنمای دانلودگزارش خرابی لینک

صفحه بعدی  

 

 

 

 

این وب سایت را در گوگل محبوب کنید:

تشکر از حمایت شما
<img src="Background/Signbot LED (1).gif" width="249" height="49" alt="Signbot LED (1)" />
فروشگاه موبایل تبلت لپتاپ
کانال تلگرام