رفتار گذرای اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق اثر دمایی

رفتار گذرای اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق اثر دمایی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

مدل سازی رفتار گذرای جدید مدل اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شامل اثر دمایی

چکیده

این مقاله نسبت به تشریح مدل رفتاری آنالوگ (ABM) ترانزیستور دو قطبی گیت عایق (IGBT) با استفاده از نرم افزار Pspice نگارش ۵/۱۶ اقدام می نماید. مدل Spice با استفاده از پارامترهای ابزاره استخراج شده از طریق آزمایشات ایجاد شد. بررسی کامل رفتار سوئیچینگ در طی فازهای روشن کردن و خاموش کردن IGBT در خصوص بار القایی با دیود هرزگرد ارائه و مورد شبیه سازی قرار گرفته است. کلیه نتایج شبیه سازی که در این مقاله ارائه شده اند که با توجه به توافق خوب حاصل آمده با داده های برآورد شده مورد اعتبارسنجی قرار گرفتند. رفتار وابستگی دمایی نیز شبیه سازی و تحلیل شده است.

کلمات کلیدی: ترانزیستور دو قطبی گیت عایق ، مدل سازی رفتاری، تلفات سوئیچینگ، مشخصه های گذرا، مدل سازی و شبیه سازی، پی اسپایس، الکترونیک قدرت، اثر دمایی

رفتار گذرای اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق اثر دمایی

۱- مقدمه

الکترونیک قدرت به عنوان فناوری تبدیل توان الکتریکی از یک فرم به فرم دیگر با استفاده از ابزاره های الکترونیکی قدرت به شمار می آید. توسعه گسترده ای در خلال سالیان اخیر با توجه به پیشرفت ها و نوآوری ها در ابزارهای نیمه رسانای قدرت، فناوری های تبدیل قدرت، میکروپردازنده ها، DSP، IC های مختص کاربردی، کامپیوترهای شخصی، ابزارهای CAD، تکنیک های کنترل و ارزیابی در این عرصه بوجود آمده است [۱].

جزء کلیدی در سیستم تبدیل قدرت ابزار نیمه رسانا یا نیمه هادی قدرت می باشد که به عنوان یک سوئیچ قدرت عمل می نماید. بر مبنای برخی از ارزیابی ها، بیش از ۶۰ درصد میزان برق در ایالت متحده مصرف می شود. بدان معنی که حداقل یک ابزار برقی و یا در بیشتر مواقع ابزارهای متعدد به برق متصل می باشند [۲]. ارتقای ابزاره های نیمه رسانای قدرت به عنوان یک نیروی محرک در ارتباط با عملکرد توسعه یافته، کارایی، اندازه و وزن سیستم های تبدیل قدرت به شمار می آید. ضروریت مرتبط با ابزارهای ایده آل نیمه رسانای قدرت در حقیقت شامل قابلیت کنترل جریان برق با توجه به بار آن و تلفات صفر می باشد. در مود رسانایی، چنین ابزاره ای می بایست از قابلیت رسانش جریان نامحدود برخوردار باشند، در حالی که در مود بلوکینگ، این سیستم می بایست از ظرفیت ولتاژ بلوکه کنندگی نامحدودی برخوردار باشد. به علاوه، سرعت سوئیچینگ بین مودهای مختلف می بایست کاملاً سریع در نظر گرفته شود.

ترانزیستورهای دو قطبی گیت عایق (IGBT) که از نقطه نظر تجاری از سال ۱۹۸۸ در دسترس می باشند به طور گسترده ای در سیستم های تبدیل نیرو برای سوئیچینگ تحت شرایط فرکانس بالا و در محدوده توان متوسط بکار گرفته شده اند. IGBTها اقدام به یکپارچه سازی دو مزیت چگالی جریان بالا در عملیات دو قطبی و مزیت سوئیچینگ سریع و توان مصرفی اندک ابزاره های گیت MOS نموده اند. مزیت های دیگر شامل تلفات اندک در حالت ثابت، تلفات های بسیار اندک سوئیچینگ، ظرفیت اتصال کوتاه بالا و قابلیت ایجاد اتصال موازی آسان می باشند.

رفتار گذرای اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق اثر دمایی

۲- خود گرمایشی در ترانزیستور IGBT

ما از این موضوع آگاه می باشیم که پارامترهای نیمه رسانا غالبا وابسته به دما می باشند. علی الخصوص برای ابزاره های نیمه رسانای قدرت، با دمای بالای پیرامونی، و نرخ بالای آن، وابستگی دمایی به عنوان یک ویژگی حیاتی به شمار می آید. به طور کلی، خواص و کارکرد مناسب ابزاره های قدرت و عملکرد آنها در مدارات با توجه به افزایش دما کاهش می یابد. چنین موردی را می توان در تعامل با کاهش تحرک حامل با توجه به افزایش حرارت بر مبنای رابطه ذیل بیان داشت.

به منظور  اجتناب  از  تخریب و  صدمه دیدگی همیشگی  به  ابزاره ها،  دمای پیوند Tj می بایست زیر مقدار عملیاتی ایمن T_jmax باشد که عمدتاً به وسیله تولیدکنندگان هر محصول مشخص می گردد. برای یک ابزاره سیلیکونی رتبه دمایی عمدتاً ۱۵۰ درجه سلسیوس است و برای سیلیکون کاربید که از ظرفیت دمای بالاتری برخوردار است این دما تا ۶۰۰ درجه سلسیوس می رسد [۶]. حفظ دمای پیوند در یک محدوده عملیاتی ایمن برای پایایی درازمدت ابزاره ها کافی نخواهد بود. به واسطه بار گذرا در مدار، تلفات قدرت متغیر می باشد و دمای ابزاره های قدرت با توجه به عملیات آنها با نوسان همراه است. این نوسانات سبب بروز تنش مکانیکی به واسطه ضرایب انبساط حرارتی مختلف مرتبط با لایه های داخل یک ابزاره می شوند. این تنش بر روی اتصالات پیوندی لحیم و مفتول دستگاه ها تأثیرگذار است.

بر این مبنا، آنالیز حرارتی به عنوان یک مسئله حیاتی در طراحی سیستم های تبدیل قدرت به شمار می آید. این آنالیز اطلاعات کافی را برای ما در ارتباط با تحلیل پایایی درازمدت ابزاره ها، ویژگی رتبه بندی حداکثری، بهینه سازی طراحی بسته بندی، انتخاب صحیح سینک حرارتی و موارد دیگر فراهم می آورد [۹]. بنابراین، از طریق تأثیر خودگرمایشی، می توان نوعی ارتباط بین عملکرد الکتریکی و حرارتی ابزاره های نیمه رسانا را در نظر گرفت، موردی که در شکل ۱ نشان داده شده است [۱۰]. ولتاژ ابزاره U_CE و جریان ابزاره I_E قابلیت تعیین میزان تلفات توان را دارند. چنین موردی در مقابل سبب ایجاد حرارت شده و بنابراین موجب تغییر دمای پیوند این ابزاره ها می شود. این درجه حرارت جدید پیوند بر روی پارامترهای U_CE و I_E به واسطه وابستگی دمایی آنها تأثیرگذار می باشد.

رفتار گذرای اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق اثر دمایی

۳- ساختار IGBT

شکل ۲ـ۱ نشان دهنده شماتیک سطح مقطع یک IGBT نوعی است. شکل ۲ـ۲ نیز نشان دهنده مدل مدار معادل گسسته این ابزاره می باشد که متشکل از یک پایه پهن ترانزیستور دو قطبی P-N-P (BJT) در حالت آبشاری با یک MOSFET است. ساختار این ابزاره مشابه با MOSFET دارای قابلیت انتشار دوگانه عمودی می باشد، و تنها استثنای آن سوبسترا یا زیرلایه نوع ـ p با قابلیت دوپه / آلایندگی بالا و بکار گرفته شده در یک حالت تماسی درین در MOSFET انتشار دوتایی عمودی است. یک لایه هم بافته نوع ـ n ضخیم با آلایندگی / دوپه شدگی سبک (N ≈ ۱۰^۱۴ cm^-3 B) بر روی سطح سوبسترای نوع ـ p جهت پشتیبانی از ولتاژ بالای سد کننده در حالت مود بایاس معکوس رشد داده شده است. یک ناحیه نوع ـ p با آلایندگی / دوپه شدگی بالا (N ≈ ۱۰^۱۹ cm^-3 A) نیز به این سوبسترا اضافه شده تا قابلیت ممانعت از فعال شدن تریستور PNPN در طی عملیات این ابزاره حاصل شود. MOSFET قدرت یک ابزاره کنترل شده ولتاژ به شمار می آید که قابلیت بکارگیری با یک جریان گیت ورودی کوچک در طی ناپایداری سوئیچینگ وجود دارد. چنین موردی سبب می شود تا مدار کنترل گیت آن ساده باشد و به علاوه کاربرد آن نیز آسان گردد.

یک لایه بافر n+ با آلاینده بالا را همچنین می توان بر روی سطح یک سوبسترای p+ با آلاینده بالا اضافه نمود. این لایه قابلیت کاهش زمان قطعی یا خاموشی IGBT در طی عملیات ناپایدار /گذرا را خواهد داشت. IGBT با یک لایه بافر تحت عنوان PT IGBT نفوذی خوانده می شود در حالی که IGBT بدون یک لایه بافر تحت عنوان NPT IGBT غیرنفوذی مشخص شده است.

۳ـ۱٫ فیزیک IGBT

از سطح مقطع IGBT (شکل ۲ـ۱)، می توان مشاهده نمود که IGBT به عنوان یک ابزاره نیمه رسانای قدرت چهار لایه با یک گیت MOS به شمار می آید.

به هنگام بکارگیری ولتاژ منفی به کلکتور با توجه به امیتر، هیچ گونه جریانی در امتداد این ابزاره برای پیونده سطح پایینتر (J1) به صورت بایاس معکوس دیده نمی شود. چنین موردی سبب فراهم آوردن ظرفیت سدکنندگی معکوس IGBT می شود.

به هنگام اتصال گیت به امیتر (V_GE= 0 volt) و بکارگیری یک ولتاژ مثبت به کلکتور با توجه به امیتر مربوطه (ولتاژ مشابه با گیت)، پیوند فوقانی (J2) بایاس معکوس شده و این افزاره در مود سدکنندگی مستقیم عمل می نماید.

در صورتی که یک ولتاژ مثبت بزرگتر از ولتاژ آستانه بین گیت و امیتر (V_GE> Vth) باشد، سطح ناحیه بیس یا پایه P معکوس گردیده و کانال N پدیدار می شود. متعاقباً الکترون ها از امیتر N+ به ناحیه دیریفت N جریان یافته و بعداً جریان بیس ترانزیستور P-N-P قائم IGBT را شکل می دهند. یک افزایش در ولتاژ مثبت بین کلکتور و امیتر منجر به افزایش در غلظت حفره های تزریقی گردیده تا آنکه از سطح آلاینده زمینه ای ناحیه دیریفت N فراتر رود. در این ناحیه عملیاتی، ابزاره مربوطه دارای رفتاری مشابه با افزاره P-I-N گردیده و چنین موردی تشریح کننده قابلیت IGBT جهت حاصل آوردن چگالی های جریان بالا می باشد. در صورت افزایش متعاقب ولتاژ بین کلکتور و امیتر، کانال ـ N  اصطلاحا پینچ آف می شود. جریان بیس برای ترانزیستور P-N-P محدود می باشد و بنابراین جریان حفره در امتداد این مسیر نیز محدود خواهد بود. جریان کلکتور به امیتر به نقطه اشباع رسیده و IGBT در ناحیه فعال عمل می نماید. مشخصه خروجی IGBT مشابه با مشخصه خروجی MOS می باشد و جریان خروجی به وسیله ولتاژ گیت V_GE کنترل می شود. مشخصه های I-V مرتبط با IGBT در شکل ۲ـ۲ نشان داده شده اند. از موارد فوق، می توان به این نتیجه گیری رسید که IGBT قابلیت یکپارچه سازی فیزیک MOS و ترانزیستورهای پیوند دو قطبی را خواهد داشت. رفتار P-I-N بخش BJT سبب حاصل آوردن چگالی رسانش مستقیم زیاد شده و ساختار گیت MOS مشخص کننده توان سطح پایین و مشخصه های خروجی کنترل شده کامل گیت می باشد.

الف. مشخصه های سوئیچینگ

۳ـ۲ـ۱٫ روشن کردن

مشخصه های سوئیچینگ در حالت روشن برای یک ترانزیستور IGBT مشابه با این مشخصه ها برای یک MOSFET می باشد. کل این فرآیند در شکل ۳ـ۱ نشان داده شده است.

۳ـ۲ـ۲٫ حالت خاموش بودن

کل فرآیند خاموشی در شکل ۳ـ۲ ارائه شده است.

رفتار گذرای اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق اثر دمایی

۴- نتایج و مباحث

در این بخش ما نسبت به ارائه نتایج تجربی و تلفات انرژی محاسبه شده از طریق آنها اقدام می نماییم. عواملی که بر روی تلفات سوئیچینگ تأثیرگذار هستند عبارتند از: زمان های ناپایدار در حالت روشن و خاموش، سطوح مربوط به ولتاژ و جریان، مقاومت های گیت و ویژگی های دمایی. کلیه داده ها برآورد شده و شبیه سازی شده از شکل های ۴ـ۱ و ۴ـ۲ به واسطه محدوده تجهیزات اندازه گیری مشخص گردیده اند. جهت اندازه گیری مشخصه گذرای IGBT و در عین حال مشخص سازی جریان برخی از آمپرها، ما اقدام به ایجاد مدار نشان داده شده در شکل ۴ـ۱ نمودیم.

۵- طراحی مدار کنترل IGBT

۵ـ۱٫ حالت روشن بودن

الف. IGBT

از شکل ۵ـ۲ و ۵ـ۳ می توان مشاهده نمود که ویژگی ناپایدار / گذرا در حالت روشن بودن IGBT سازگار با مورد برآورد شده می باشد. با این وجود، مدت این ویژگی برای ۳۶V VCC (شکل ۴ـ۱) در مقایسه با ۴۰۰ V حاصل آمده از شکل ۵ـ۳ بسیار طولانی تر می باشد. علت این امر به واسطه مشخصه های V_CE-tail ماژول های IGBT است. اثر دنباله ای ولتاژ با توجه به افزایش V_CE کاهش می یابد. تخلیه آهسته C_GC (ظرفیت خازنی کلکتور گیت) سبب بروز V_CE-tail طولانی می شود.

ب. دیود هرزگرد

به هنگامی که IGBT روشن باشد، دیود هرزگرد در IGBT دیگر اقدام به متوقف سازی حالت رسانایی همانگونه که در شکل ۵ـ۵ و ۵ـ۶ نشان داده شده است می نماید. هیچ گونه مشخصه ریکاوری معکوس در حالت گذرا / ناپایدار مود خاموش شدگی دیود هرزگرد در این شبیه سازی وجود ندارد. علت این امر به واسطه این موضوع است که دیود هرزگرد در ماژول IGBT و در برنامه Pspice به صورت یکپارچه بکار گرفته نشده است. دیود شاتکی مجزا، که در این شبیه سازی بکار گرفته شده است دارای مدل مشابهی با مورد بکار گرفته شده در سخت افزار نمی باشد.

۵ـ۲٫ حالت خاموشی

الف. IGBT

ولتاژ کلکتور ـ امیتر برآورد شده و شبیه سازی شده V_CE در مدت خاموشی، همانگونه که در شکل ۵ـ۷ و ۵ـ۸ نشان داده شده است، دارای نوسان می باشد. چنین موردی به واسطه مشخصه های ریکاوری معکوس دیود هرزگرد در IGBT دیگر است. تفاوت دیود هرزگرد در شبیه سازی و مشخصه آن در سیستم سخت افزاری سبب عدم سازگاری فرکانس و در نتیجه نوسان می شود. افزایش سریع و ناگهانی ولتاژ در این شبیه سازی از تطابق با مورد برآورد شده سخت افزاری برخوردار نمی باشد. دلیل این امر مقادیر مربوط به اندوکتانس های پراکندگی در شبیه سازی و سخت افزار است که دقیقاً به صورت یکسان نمی باشند.

ب. دیود هرزگرد

از شکل ۵ـ۱۰ می توان مشاهده نمود که هیچ گونه تلفاتی در طی روشن شدگی دیود وجود ندارد. بر حسب این مورد، تنها تلفات ریکاوری معکوس دیود هرزگرد در تحلیل ذیل مورد بررسی قرار می گیرد.

رفتار گذرای اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق اثر دمایی

۶- اثر مقاومت گیت

یک مقاومت اندک گیت سبب شارژ و دشارژ ظرفیت خازنی ورودی IGBT به صورت سریعتری می گردد که خود موجب کاهش زمان سوئیچینگ و تلفات های سوئیچینگ شده و موجب ارتقای مصونیت dv/dt در طی فاز روشن شدن می شود. با این وجود، مقاومت اندک گیت ممکن است سبب بروز نوساناتی بین ظرفیت خازنی ورودی IGBT و اندوکتانس پوشش سیم پارازیتی شود.

۷- تأثیر دما

از شکل ۷ـ۱ و ۷ـ۲ می توان مشاهده نمود که دو مورد تلفات مود روشن و خاموش در تعامل با تغییرات دمایی می باشد. علت این امر به واسطه عدم نفوذ در IGBT می باشد، که بر مبنای آن مدت خاموشی به صورت ثابت در محدوده دمای کاری باقی می ماند. با این وجود، برای دیود هرزگرد، تلفات ریکاوری معکوس، که در شکل ۷ـ۳ نشان داده شده است، با توجه به دما افزایش می یابد. علت این امر جریان ریکاوری معکوس می باشد که سبب افزایش دما می گردد.

رفتار گذرای اسپایس ترانزیستور دو قطبی گیت عایق اثر دمایی

۸- نتیجه گیری

یک مدل رفتاری IGBT Spice جهت بررسی مشخصه های سوئیچینگ و تلفات یک ماژول IGBT جدید طراحی و شبیه سازی شده است. مشخصه های سوئیچینگ و تلفات سوئیچینگ تحت برنامه های مختلف در سخت افزار و در فرآیند شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفته است. بر این مبنا می توان مشاهده نمود که تلفات سوئیچینگ هم برای IGBT و هم برای دیود هرزگرد با توجه به سطوح ولتاژ و جریان افزایش می یابد. مقاومت گیت همچنین بر روی این تلفات به میزان زیادی تأثیرگذار است: تلفات سوئیچینگ IGBT با افزایش مقاومت گیت افزایش می یابد. از طرف دیگر، تلفات ریکاوری معکوس با مقاومت گیت کاهش می یابد. به علاوه، تلفات سوئیچینگ این ماژول IGBT جدید به صورت چندانی تحت تأثیر گوناگونی دمایی قرار نمی گیرد. با این وجود، تلفات ریکاوری معکوس به طور قابل توجهی با دما افزایش خواهد یافت. اندوکتانس پراکندگی به طور معنی داری بر روی مشخصه سوئیچینگ تأثیرگذار است، بنابراین لازم است تا آن را تا حد ممکن پایین نگه داشت. در نهایت، می توان مشاهده نمود که کلیه نتایج شبیه سازی ارائه شده در این مقاله معتبر می باشند و در توافق خوبی با داده های برآورد شده هستند.