7 Charakterystyki tranzystora IGBP

Tranzystor oznaczony symbolem IGBP, podobnie jak tranzystor polowy mocy, ma strukturę monolityczną złożoną z wielkiej liczby pojedynczych elementów. Każdy z elementów tranzystora IGBP zawiera strukturę wejściową MOS (bramkę) i strukturę wyjściową bipolarną przewodzącą prąd obciążenia w stanie wyłączenia.

Działanie struktury tranzystora z izolowaną bramką można wyjaśnić na podstawie układu zastępczego.

• Symbol graficzny

• schemat zastępczy

Prąd drenu struktury MOS jest prądem bramki struktury bipolarnej p-n-p (złącza j₁ i j₂ ), która po przełączeniu do stanu przewodzenia przejmuje prąd obciążenia. Złącza j₂ i j₃ tworzą strukturę pasożytniczą n-p-n . Przy dużych prądach obciążenia tranzystora struktura ta może przechodzić w stan przewodzenia powodując trwałe włączenie struktury p-n-p i niereagowanie tranzystora na sygnały bramkowe. Powstaje wtedy tzw. stan zatrzaskiwania tranzystora IGBT. Graniczne wartości prądu kolektora (drenu) I_DM , deklarowane zwykle przez wytwórców , nie powodują zatrzaskiwania tranzystora. We współczesnych konstrukcjach tranzystorów IGBT zjawisko zatrzaskiwania praktycznie nie występuje. W strukturach wielu odmian konstrukcyjnych tranzystorów IGBT jest umieszczana dodatkowa warstwa n⁺ pomiędzy kolektorem (p⁺) , a drenem (n^-). Przy odpowiednio dużej koncentracji nośników i grubości tej warstwy zostaje zmniejszony spadek napięcia tranzystora w stanie przewodzenia, ale również maleje jego odporność napięciowa w kierunku wstecznym. Dopuszczalne napięcia wsteczne tranzystora IGBT są wtedy niewielkie (5-10 V). Charakterystyki prądowo - napięciowe tranzystorów z izolowaną bramką mają przebieg podobny jak tranzystorów polowych mocy.

Charakterystyka prądowo - napięciowa

Charakterystyka sterowania

Przebiegi prądów i napięć w procesie włączania są również podobne w obu rodzajach przyrządów. Całkowite czasy ich włączania t_on są tego samego rzędu , chociaż czas obniżania się napięcia w tranzystorze z izolowaną bramką jest dłuższy niż w tranzystorze polowym mocy wskutek przechodzenia struktury bipolarnej tranzystora IGBT przez zakres pracy aktywnej przed osiągnięciem stanu nasycenia.

W procesie wyłączania tranzystora IGBT w czasie t_f2 występuje zjawisko tzw. „ogona prądu” , podobnie jak to ma miejsce przy wyłączeniu tranzystorów bipolarnych. Czas trwania „ogona prądu” jest uzależniony od czasu życia nośników mniejszościowych warstwy n^- .

Graniczne znamionowe parametry techniczne współcześnie produkowanych tranzystorów IGBT : I_C=1200A , U_CE=3300V , t_on≥0.2μs , t_off≥1μs , dopuszczalna stromość narastania napięcia 50 - 100 kV/μs i narastania prądu 2 - 5 kA/μs .

8 Charakterystyki tyrystora GTO

Tyrystor GTO jest włączany dodatkowym impulsem prądowym bramki, jak również może być wyłączany ujemnym sygnałem sterującym bramki, co nie jest możliwe w tyrystorze klasycznym.

Symbole graficzne.

Właściwości struktury czterowarstwowej tyrystora GTO mogą być przedstawione przez model dwutranzystorowy.

Schemat zastępczy.

Zachowanie się tyrystora GTO w stanie blokowania i w procesie przełączania do stanu przewodzenia oraz statyczne charakterystyki prądowo-napięciowe są praktycznie takie same jak tyrystorów SCR, natomiast możliwości wyłączania ze stanu przewodzenia są właściwością tylko tyrystora GTO. Parametry sygnałów sterujących są ściśle związane ze strukturą tyrystora w pełni sterowalnego. Włączające dodatnie sygnały prądowe bramki muszą mieć określoną stromość i odpowiednio dużą wartość I_GM. Wynika to z konieczności wprowadzenia w stan przewodzenia wszystkich segmentów katody niemal równocześnie. W przeciwnym razie zostaje przełączona tylko część segmentów przejmująć cały prąd obciążenia, co może spowodować ich uszkodzenie. Prąd I_GM musi trwać odpowiednio długo (zwykle 1-5 μs) aż do zakończenia procesu włączania wszystkich segmentów. W stanie przewodzenia tyrystor GTO wymaga utrzymywania w obwodzie bramki prądu ciągłego I_GF o niewielkiej wartości który zapobiega zarówno wyłączeniu całej struktury wskutek zakłóceń zewnętrznych, jak i przerwaniu przewodzenia niektórych segmentów przy małym prądzie obciążenia.

Proces wyłączania tyrystora GTO wymaga doprowadzenia do bramki ujemnego impulsu prądowego o dużej amplitudzie (1/5 do 1/3 wartości przewodzonego prądu anodowego) i o czasie trwania od kilku do kilkuset mikrosekund w zależności od typu i wielkości przyrządu. Duża stromość czoła tego impulsu skraca czas opóźnienia t_dq i czas zmniejszania się prądu t_rq. Czas trwania „ogona prądu” t_dq ulega skróceniu przez zastosowanie zwartej anody. Przebieg napięcia u_AK w procesie wyłączania zależy od indukcyjności rozproszenia obwodu głównego i właściwości zastosowanego układu odciążającego.

Graniczne znamionowe parametry techniczne współcześnie wytwarzanych tyrystorów GTO: I_A=I_T=1-2kA, U_AK=4,5-8kV, (wyższym napięciom odpowiadają mniejsze wartości prądów znamionowych), t_on=3-7μs , t_off=12-22μs , dopuszczalna stromość narastania napięcia do 1kV/μs i prądu do 3kA/μs.

---