IGBT

IGBT (transistor lưỡng cực cách ly cổng): Là một linh kiện bán dẫn công suất ba cực được sáng chế bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải cao của transistor thường. Đồng thời, IGBT là một thiết bị điều khiển bằng điện áp, yêu cầu công suất điều khiển rất thấp.

Thiết kế và nguyên lý hoạt động

Về cấu tạo bán dẫn, IGBT tương tự như MOSFET, nhưng có thêm lớp tiếp xúc với collector tạo thành cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc) và collector (tương tự cực máng), thay vì cấu trúc n-n như ở MOSFET. Do đó, IGBT có thể được xem như một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.

Khi áp dụng điện áp điều khiển Uge>0, một kênh dẫn với các hạt mang điện là điện tử sẽ được hình thành, tương tự như trong cấu trúc MOSFET. Những điện tử này di chuyển về phía collector và vượt qua lớp tiếp giáp n-p, giống như sự chuyển động giữa base và collector trong transistor thường, tạo thành dòng collector.

Đặc điểm đóng cắt của IGBT

Nhờ cấu trúc n-p-n, điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng của IGBT thấp hơn so với MOSFET. Tuy nhiên, cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBT lâu hơn so với MOSFET, đặc biệt khi thực hiện khóa. Hình vẽ dưới đây cho thấy cấu trúc tương đương của IGBT so với MOSFET và một transistor p-n-p. Dòng qua IGBT được chia thành hai thành phần: i1 qua MOSFET và i2 qua transistor. Trong IGBT, MOSFET có thể khóa nhanh nếu điện tích giữa G và E được giải phóng hoàn toàn, dẫn đến i1=0. Tuy nhiên, i2 sẽ không giảm nhanh chóng do lượng điện tích tích tụ trong (tương đương với base của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể giảm đi qua quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này dẫn đến hiện tượng kéo dài dòng điện khi IGBT bị khóa.

Khu vực hoạt động an toàn (Safe Operating Area)

Khu vực hoạt động an toàn được mô tả qua đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện tối đa mà linh kiện có thể hoạt động trong tất cả các chế độ, bao gồm khi dẫn, khi khóa, và trong quá trình đóng cắt. SOA của IGBT được thể hiện trong hình minh họa bên.

Hình đầu tiên thể hiện khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitter là dương, trong khi hình thứ hai là khi điện áp này âm. Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp cao. Điều này có nghĩa là khi chu kỳ đóng cắt ngắn hơn, tương ứng với tần số làm việc cao hơn, khả năng đóng cắt công suất sẽ giảm. Khi điện áp điều khiển âm được đặt lên cực điều khiển và emitter, SOA lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá nhanh gây ra dòng điện lớn vào vùng p của cực điều khiển, có tác dụng tương tự như dòng điều khiển làm IGBT mở lại, giống như trong cấu trúc của thyristor. Tuy nhiên, khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp của IGBT cao hơn nhiều so với các linh kiện bán dẫn công suất khác.

Giá trị dòng tối đa cho phép của collector, Icm, cần được chọn sao cho tránh hiện tượng chốt giữ dòng và không bị khóa lại, tương tự như trong thyristor. Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất Uge cũng cần được chọn sao cho có thể giới hạn dòng Ice trong mức tối đa cho phép trong trường hợp ngắn mạch, bằng cách chuyển đổi từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính. Trong tình huống này, dòng Ice được giữ cố định, không phụ thuộc vào điện áp Uce. Sau đó, IGBT cần phải được khóa nhanh nhất có thể để tránh sự gia tăng nhiệt độ quá mức. Việc theo dõi liên tục dòng collector là cần thiết khi thiết kế IGBT để tránh hiện tượng chốt giữ dòng.

Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển

Vấn đề bảo vệ IGBT

IGBT thường được sử dụng trong các mạch đóng cắt với tần số cao, từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số cao như vậy, các sự cố có thể gây hư hỏng nhanh chóng và dẫn đến sự cố toàn bộ thiết bị. Sự cố phổ biến nhất là quá dòng do ngắn mạch từ tải hoặc từ các linh kiện bị lỗi trong quá trình chế tạo hoặc lắp ráp.

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách điều chỉnh điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên, nếu dòng điện quá tải có thể khiến IGBT ra khỏi chế độ bão hòa, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ và phá hủy linh kiện chỉ sau vài chu kỳ đóng cắt. Ngược lại, khi khóa IGBT trong thời gian rất ngắn với dòng điện lớn có thể gây ra tốc độ tăng dòng quá nhanh, dẫn đến quá áp trên collector và emitter, làm hỏng linh kiện ngay lập tức. Trong trường hợp quá dòng, việc điều khiển IGBT bằng các xung ngắn như thông thường không còn hiệu quả và việc ngắt xung điều khiển cũng không đủ để dập tắt dòng điện.

Hậu quả của việc ngắt dòng đột ngột có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng mạch dập RC (snubber circuit) nối song song với các linh kiện. Tuy nhiên, các mạch dập có thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị. Giải pháp tối ưu là làm chậm quá trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (soft turn-off), khi phát hiện sự cố dòng quá mức cho phép.

• Transistor
• Linh kiện điện tử
• Các phần tử bán dẫn
• Ký hiệu điện tử
• Sơ đồ mạch điện

Các liên kết hữu ích

• Thông tin về vật lý linh kiện từ Đại học Glasgow
• Mô hình Spice cho IGBT
• Tính toán driver IGBT Lưu trữ 2017-12-24 tại Wayback Machine