Igbt- Princip rada Glava 1

?Sekcija 1. Osnove Gejt-drajva

     Postoji neko nezvani?no takmi?enje izmedju Igbt i Mosfet proizvoda. Igbt je od osamdesetih godina do danas evoluirao više puta. Neki proizvodja?i izbacuju ve? sedmu generaciju, što nikako ne zna?i da je industrija Mosfet-ova na izdisaju, ?ak naprotiv. U ovom i narednim tekstovima ?emo objasniti sve re�ime 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 mo�e odgovoriti zahtevima brzog prekida?kog procesa. Sve se ?eš?e mogu sresti aplikacije male i srednje snage koje takodje koriste Igbt. U cilju postizanja optimalnih karakteristika rada Igbt-a, od klju?ne je va�nosti 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 va�no je zapamtiti da Mosfet ima dobre osobine na višim frekvencijama, ali gubitak provodljivosti se pove?ava sa kvadratom struje (R I² ). Sa druge strane, Igbt ima ve?e gubitke na višim frekvencijama, ali su gubici provodljivosti skoro linearni sa strujom. Pre svega ?emo objasniti razliku izmedju ''hard switching'' i ''soft switching'' re�ima rada, kao i podelu dioda prema razli?itim aplikacijama.

Sekcija 2. Krute i meke prekida?ke aplikacije

     Igbt je ?etveroslojna 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 (ve? ugradjene u ku?ište Igbt-a). Jednostrano završene konstrukcije Igbt-a (pove?anje korekcije faktora snage) ne zahtevaju ugradnju antiparalelne diode. Serijska blokiraju?a 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 najve?em delu na zameni ili mo�da još uvek pokušaju zamene tiristora jeftinijim metodama). Diode integrisane u Igbt ku?ištu su ''naciljane'' za odredjene aplikacije. Ve?ina proizvodja?a u Igbt ku?ište 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), naj?eš?e 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 uklju?ivanja Igbt-a 

     Dioda integrisana u ku?ište Igbt-a po?ne provoditi pre nego se  Igbt uklju?i ('Turn-'On period)'' na ra?un rezonantne prirode optere?enja. Kada se Igbt uklju?i, jedini gubici izmedju emitera i kolektora su pad na diodi, što zna?i da su gubici virtuelno jednaki nuli. Ovo dozvoljava upotrebu Igbt-a za rad na višim frekvencijama. Ovo je tzv. ''soft switching'' re�im rada i prikladan je za indukciona grejanja, neke ''power converter'' aplikacije itd.

     U tzv. ''hard switching'' re�imu, pre samog uklju?ivanja Igbt-a struja optere?enja te?e u antiparalelnoj diodi koja je dodata na Igbt. Kada se tranzistor uklju?i, on pokupi svu struju optere?enja plus povratnu struju oporavka od diode. Zbog ove pojave povratne struje oporavka diode, gubici uklju?ivanja su normalno ve?i od gubitka isklju?ivanja Igbt-a, Ve?ina konvertera snage i kontrole motora rade na ovaj na?in. Ve?i naboj obrnutog oporavka zna?i i ve?i gubici pri uklju?ivanju Igbt-a. Dioda takodje ima svoje gubitke pri oporavku koji mogu biti ve?i ili manji od gubitaka Igbt-a pri uklju?ivanju, a što opet zavisi od diode i proizvodja?a.

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

     Gate-drive uti?e na promenu karakeristika uklju?enja i isklju?enja Igb-tranzistora, pa je dizajniranje odgovaraju?eg gejt drajva izuzetno bitno za Igbt perfomanse. Isto tako ''najbolje perfomanse'' se razlikuju od aplikacije do aplikacije, što zna?i da je i dizajn gejt drajvera obavezno druga?iji. Na primer kod ''Hard switching'' aplikacije ( Sl. 2b) kao što su upravljanje motorom ili UPS, aktiviraju?a forma signala mora osigurati da podru?je rada Igbt-a ne izlazi iz okvira sigurnog podru?ja rada,tkzv. SOA (Safe Operation Area), te se na osnovu ovih podataka nameštaju paramatri ''drajvera''. To zna?i da postoji mogu?nost �rtvovanja brzine prekidanja, kao i VCE(sat) (Napon Zasi?enja) od gubitaka provodljivosti. Sa druge strane, u ''Soft switching'' aplikacijama (Sl. 2a), optere?enje od sigurnog podru?ja rada (SOA) je manje, pa je zbog toga mogu?e odabrati proizvod koji ima dobre ''VCE(sat)'' i  ''tf'' (vreme opadanja napona tokom prekida?kog procesa) karakteristike. Takodje je mogu?e kalkulisati izmedju ''VCE(sat)'' i  ''tf'' sa parametrima gejt drajvera (gate driver). U slede?im poglavljima ?emo se osvrnuti na vezu Igbt-a i parametara gejt drajvera. 

Nastavak.....Glava 2