Igbt- Princip rada Glava 1

​Sekcija 1. Osnove Gejt-drajva

     Postoji neko nezvanično takmičenje izmedju Igbt i Mosfet proizvoda. Igbt je od osamdesetih godina do danas evoluirao više puta. Neki proizvodjači izbacuju već sedmu generaciju, što nikako ne znači da je industrija Mosfet-ova na izdisaju, čak naprotiv. U ovom i narednim tekstovima ćemo objasniti sve režime rada Igbt-a.

Prvo treba da upoznamo strukturu Igbt-a na sl. 1

     Gde je G= Gate. A= Kolektor, K= Emiter, Rs= Paralelni otpornik (shunt). Struktura Igbt-a je kombinacija P+ sloja dodatog na Mosfet (metal-oxid-semiconductor-field-effect-transistor) strukturu. Dodavanjem P+ sloja su se dobile karakteristike tranzistora snage BJT (bipolar junction transistor) koji u svom N sloju ima visoku provodljivost ubrizgavanjem šupljina u N sloj sa velikim otporom. Takav Igbt je lakše pobuditi zato što takva struktura kombinuje prednosti Mosfet tehnologije (velika brzina prekidanja) i BJT-og smanjenog gubitka provodljivosti. Iz tog razloga je Igbt veoma korisna elektronska komponenta, zato što prevazilazi nedostatak upotrebe Mosfet-a u aplikacijama visokog napona i struje, upravo zbog gubitka provodljivosti. Takodje prednost Igbt nad BJT je rad na višim frekvencijama na kojima BJT ne može odgovoriti zahtevima brzog prekidačkog procesa. Sve se češće mogu sresti aplikacije male i srednje snage koje takodje koriste Igbt. U cilju postizanja optimalnih karakteristika rada Igbt-a, od ključne je važnosti dizajnirati Igbt driver pogodan za primenu. Iz tog razloga namena ovog teksta je da se upoznamo sa karakteristikama Igbt-a i problemima pri dizajniranju ''gate-drive'' šeme. Dakle važno je zapamtiti da Mosfet ima dobre osobine na višim frekvencijama, ali gubitak provodljivosti se povećava sa kvadratom struje (R I² ). Sa druge strane, Igbt ima veće gubitke na višim frekvencijama, ali su gubici provodljivosti skoro linearni sa strujom. Pre svega ćemo objasniti razliku izmedju ''hard switching'' i ''soft switching'' režima rada, kao i podelu dioda prema različitim aplikacijama.

Sekcija 2. Krute i meke prekidačke aplikacije

     Igbt je četveroslojna struktura (P-N-P-N) koja ima dobro definisanu sposobnost blokade u jednom smeru, a slabu i nedefinisanu sposobnost blokade u obrnutom smeru. Mosfet je troslojna struktura (N-P-N) sa dobrim sposobnistima provodnosti u obrnutom smeru. U Igbt konfiguracijama koje imaju zahtev za provodljivost u obrnutom smeru (''brigde'' konfiguracije), postavljaju se antiparalelne diode (već ugradjene u kućište Igbt-a). Jednostrano završene konstrukcije Igbt-a (povećanje korekcije faktora snage) ne zahtevaju ugradnju antiparalelne diode. Serijska blokirajuća dioda se mora dodati na Igbt (i na Fet takodje), ako konstrukcija elektronskog sklopa zahteva sposobnost obrnute blokade (aplikacije koje vuku veliku struju, a odnosi se u najvećem delu na zameni ili možda još uvek pokušaju zamene tiristora jeftinijim metodama). Diode integrisane u Igbt kućištu su ''naciljane'' za odredjene aplikacije. Većina proizvodjača u Igbt kućište integriše tri tipa dioda:

• Diode sa vrlo malim padom napona za rezonantne i ZVS (zero voltage switching) rezonantne aplikacije 
• Diode sa ''mekanim'' oporavkom (soft recovery), najčešće korištene za motore da bi se minimizirali efekti mešanja elektro magnetnih talasa
• Diode sa veoma malim uskladištenim nabojem, za aplikacije koje rade na visokim frekvencijama zbog minimizaranja oporavka i gubitaka pri stanju uključivanja Igbt-a 

     Dioda integrisana u kućište Igbt-a počne provoditi pre nego se  Igbt uključi ('Turn-'On period)'' na račun rezonantne prirode opterećenja. Kada se Igbt uključi, jedini gubici izmedju emitera i kolektora su pad na diodi, što znači da su gubici virtuelno jednaki nuli. Ovo dozvoljava upotrebu Igbt-a za rad na višim frekvencijama. Ovo je tzv. ''soft switching'' režim rada i prikladan je za indukciona grejanja, neke ''power converter'' aplikacije itd.

     U tzv. ''hard switching'' režimu, pre samog uključivanja Igbt-a struja opterećenja teče u antiparalelnoj diodi koja je dodata na Igbt. Kada se tranzistor uključi, on pokupi svu struju opterećenja plus povratnu struju oporavka od diode. Zbog ove pojave povratne struje oporavka diode, gubici uključivanja su normalno veći od gubitka isključivanja Igbt-a, Većina konvertera snage i kontrole motora rade na ovaj način. Veći naboj obrnutog oporavka znači i veći gubici pri uključivanju Igbt-a. Dioda takodje ima svoje gubitke pri oporavku koji mogu biti veći ili manji od gubitaka Igbt-a pri uključivanju, a što opet zavisi od diode i proizvodjača.

Sl. 2a ''Soft switching'' inverter                                                                                  Sl. 2b ''Hard switching'' inverter    

     Gate-drive utiče na promenu karakeristika uključenja i isključenja Igb-tranzistora, pa je dizajniranje odgovarajućeg gejt drajva izuzetno bitno za Igbt perfomanse. Isto tako ''najbolje perfomanse'' se razlikuju od aplikacije do aplikacije, što znači da je i dizajn gejt drajvera obavezno drugačiji. Na primer kod ''Hard switching'' aplikacije ( Sl. 2b) kao što su upravljanje motorom ili UPS, aktivirajuća forma signala mora osigurati da područje rada Igbt-a ne izlazi iz okvira sigurnog područja rada,tkzv. SOA (Safe Operation Area), te se na osnovu ovih podataka nameštaju paramatri ''drajvera''. To znači da postoji mogućnost žrtvovanja brzine prekidanja, kao i VCE(sat) (Napon Zasićenja) od gubitaka provodljivosti. Sa druge strane, u ''Soft switching'' aplikacijama (Sl. 2a), opterećenje od sigurnog područja rada (SOA) je manje, pa je zbog toga moguće odabrati proizvod koji ima dobre ''VCE(sat)'' i  ''tf'' (vreme opadanja napona tokom prekidačkog procesa) karakteristike. Takodje je moguće kalkulisati izmedju ''VCE(sat)'' i  ''tf'' sa parametrima gejt drajvera (gate driver). U sledećim poglavljima ćemo se osvrnuti na vezu Igbt-a i parametara gejt drajvera. 

Nastavak.....Glava 2