5.1. Cấu trúc của IGBT
IGBT là Transistor công suất hiện đại, chế tạo trên công nghệ VLSI, kích thước gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện.
IGBT có phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu trúc của nó. Giống như Thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai Transistor. Việc điều khiển đóng và cắt IGBT được thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực Transistor NPN.
Hình 3.19. Cấu trúc, kí hiệu và sơ đồ tương đương IGBT
Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G. Đặc tính V – A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính V – A của MOSFET.
Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với Emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang điện loại N được kéo vào kênh P gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng P của Transistor NPN và làm cho Transistor này dẫn điện. Điều này sẽ làm IGBT dẫn điện. Việc ngắt IGBT có thể thực hiện bằng việc khóa điện thế cấp cho cổng kích để ngắt kênh dẫn P. Mạch kích của IGBT vì thế rất đơn giản.
Ưu điểm của IGBT là khả năng đóng cắt nhanh, làm cho nó được sử dụng trong các bộ biến đổi chế độ rộng xung tần số cao. Mặt khác với cấu tạo của hai Transistor, IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện lớn hơn so với các linh kiện thuộc dạng Thyristor như GTO. Tuy nhiên IGBT hiện chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp với phạm vi công suất đến 10KW hoặc lớn hơn nữa. Giống như MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở mạch cổng lớn làm hạn chế công suất tổn hao khi đóng và ngắt. Giống như BJT, linh kiện IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện thấp ( 2V đến 3V; 1000V định mức) nhưng cao hơn so với GTO. Khả năng chịu áp khóa tuy cao nhưng thấp hơn so với các Thyristor. IGBT có thể làm việc với dòng điện lớn, có khả năng chịu áp ngược cao.
So với Thyristor, thời gian đóng ngắt IGBT rất nhanh, khoảng một vài µs và
khả năng chịu tải đến 4.5 kV – 2000A. Hiện nay công nghệ chế tạo IGBT đang được đặc biệt phát triển để đạt được mức điện áp vài nghìn Volt ( 6kV) và dòng điện vài nghìn Amper.
IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần mạch bảo vệ. Trong trường hợp đặc biệt có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET để áp dụng cho IGBT. Modul IGBT thông minh ( Intelligent Power Modul): Được chế tạo bởi công nghệ tích hợp cao. Trên modul chứa đựng phần tử IGBT, mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện. Các modul này đạt độ tin cậy rất cao.
Mạch kích IGBT được thiết kế tương tự như mạch kích MOSFET. Do giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được chế tạo dưới dạng IC công nghiệp. Bản thân IGBT có khả năng han chế dòng điện quá tải hay ngắn mạch và trị số dòng điện ngắn mạch có thể lớn hơn nhiều so với dòng định mức của IGBT. Như vậy IGBT phải mở nhanh sau khi có sự cố.
Mạch bảo vệ có thể làm giảm điện áp cổng khi xảy ra xự cố. Tuy nhiên nó không hạn chế giá trị đỉnh của dòng điện sự cố, do đó cần mạch bảo vệ cắt nhanh. Các cảm biến tích hợp trong mạch điều khiển dùng để bảo vệ IGBT.
Có nhiều phương pháp bảo vệ khác nhau, một trong các kĩ thuật bảo vệ là sử dụng tụ điện để giảm điện áp cổng khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên tùy theo điều kiện ban đầu của tụ điện và trị số của nosmaf dòng điện của IGBT có thể giảm đến không rồi đóng lại.
Một phương pháp khác là cắt từ từ IGBT sau khi có sự cố để giảm diC/dt và quá điện áp do điện cảm kí sinh trong IGBT han chế sự cắt dòng điện lớn. Phương pháp thông dụng nhất là kiểm tra điện áp collector hoặc phát hiện khử báo hòa. Thông số kiểm tra là điện áp collector-emitor so sánh dễ dàng với việc đo dòng điện của linh kiện.
Phương pháp tin cậy nhất để phát hiện điều kiên sự cố quá dòng điện là đưa cảm biến dòng mắc nối tiếp với IGBT. Bộ cảm biến them vào có thể đẫn tới điện cảm kí sinh gay quá điện áp khi mở.
Bảng các thông số đặc trưng của IGBT: Loại Điện áp định mức lớn nhất Dòng trung bình định mức VTM ton ( Đặc trưng) Linh kiện rời
HGTG32N60E2 HGTG30N120D2 600V 1200V 32A 30A 2.4V 3.2V 0.62µs 0.58µs
Linh kiện dạng modul CM400HA – 12E CM300HA – 24E 600V 1200V 400A 300A 2.7V 2.7V 0.3µs 0.3µs Modul áp thấp 30V 45V 150V 60A 440A 30A 0.48V 0.69V 1.19V
5.3. Các yêu cầu đối với mạch điều khiển khiển
Mạch điều khiển hoạt động như một giao diện giữa các tín hiệu của IGBT, tạo nên chức năng đóng mở IGBT có điều khiển với mức công suất lớn hơn.
Sự không lý tưởng của IGBT tạo nên sự sai khác giữa dang song điều khiển và dạng sóng lý tưởng. Lý do là độ tăng điện áp và dòng điện, thời gian suy giảm, quá áp và quá dòng, linh kiện kí sinh trong mạch tạo nên IGBT không lý tưởng.
Do tổn hao chuyển mạch thấp hơn, các bộ biến đổi chuyển mạch mềm đòi hỏi mạch điều khiển có công suất cao hơn. Mạch điều khiển phải có dòng đỉnh có khả năng tạo nên điện tích cổng để chuyển mạch dòng điện bằng không. Thời hạn tín hiệu vào cổng phải nhỏ hơn chu kỳ chuyển mạch của IGBT, do đó tốc độ xung điều khiển phải được chọn để có thể sử dụng các ưu điểm chuyển mạch nhanh của IGBT thế hệ mới. Mạch xung điều
khiển đầu tiên sử dụng các linh kiện thụ động tương tự như xung điều khiển MOSFET. Mạch điều khiển thông thường sử dụng điện trở cố định để đóng hoặc mở IGBT.
Chuyển mạch khóa của IGBT phụ thuộc vào đặc tính của transistor lưỡng cực. Thời gian tồn tại hạt tải xác định tóc độ hạt thiếu số tái hợp trong miền N-. Các điện tích rời khỏi cổng trong quá trình khóa ít ảnh hưởng đến sự tái hợp hạt thiểu số.