3.3. Область безопасной работы
Защита IGBT от повреждений, вызванных перегрузкой по току или по напряжению, является важной проблемой проектирования в большинстве применений, связанных с переключениями IGBT. В случае жесткого переключения, например в инверторе или схемах прерывателей для управления двигателем и нагрузкой преобразователя, область безопасной работы при выключениях и стойкость к коротким замыканиям являются двумя наиболее важными регламентированными величинами для IGBT.
Областью безопасной работы называется совокупность электрических характеристик, при соблюдении которых обеспечивается надежная работа полупроводникового ключа без существенного ухудшения его характеристик и параметров. Границы ОБР определяются предельными значениями выходного тока, напряжения, а также максимальной рассеиваемой мощностью и допустимой температурой перехода. Безопасная работа ключевых полупроводниковых приборов определяется также режимом эксплуатации. С этой позиции различают прямосмещенную ОБР (ПОБР) (FBSOA-Forward Bias SOA), т.е. в режиме эксплуатации с положительным смещением во входной цепи ключа, обратную ОБР (ООБР) (RBSOA- Reverse Bias SOA) с отрицательным входным смещением, а также ОБР в режиме токовой перегрузки (SCSOA- Short Circuit SOA).
3.3.1. Область безопасной работы при выключении igbt
Область безопасной работы (SOA) при выключении очень похожа на область безопасной работы при обратном смещении дарлингтоновских транзисторов (RBSOA). Процесс переключения в типичной мостовой схеме инвертора (рисунок 3.11) будет характеризоваться током и напряжением, показанными на рисунке 3.12. При выключении тока индуктивной нагрузки возрастание напряжения предшествует спаду тока. Когда напряжение на затворе снижается до величины ниже его порогового значения, инфраструктурный канал MOSFET блокируется и инжекция электронов прекращается. Начинается перемещение накопленных неосновных носителей (дырок) в “п-” области базы, и в течение этого интервала времени р-п-р транзистор с широкой базой работает благодаря своим характеристикам усиления по току, вызывая продолжение протекания тока коллектора. Таким образом, хвостовая часть тока при выключении IGBT существует главным образом благодаря току “дырок”. Некоторые из дырок в “п-” области базы продолжают пересекать С-В-переход паразитного п-р-п транзистора и перемещаться горизонтально ниже “п-” слоя эмиттера (рисунок 3.13.).
Рис.3.11. Полумостовая схема проверки переключений
Рис.3.12. Осциллограммы тока и напряжения при переключении (полумостовой инвертор)
Этот поток дырок вызывает падение потенциала через сопротивление р-тела, RD , и стремится активизировать п-р-п транзистор. Включение п-р-п транзистора в то время, как р-п-р транзистор все еще включен, может привести к запиранию р-п-р транзистора, что означает потерю управления затвором и в конце концов к разрушению устройства. Данная проблема устранена в IGBT фирмы Митсубиси путем тщательной оптимизации геометрии устройства.
Рис. 3.13. Высокая инжекция. Электронный и дырочный токи рабочего состояния внутри структуры IGBT
1 – эмиттер, 2 – затвор, 3 – дырка, 4 – коллектор
Рис. 3.14. Область безопасной работы при выключении и схема проверки 1 - предел для 2 – переменная 3 - переменное (внешнее сопротивление затвора)
Кривая области безопасной работы при переключении является геометрическим местом точек, определяющих допустимое одновременное наличие тока коллектора и напряжения между коллектором и эмиттером во время выключения. Рисунок 3.14. показывает, что IGBT Н-серий имеют область безопасной работы прямоугольной формы для устройств на 600 и 1200 В при двукратном регламентированном токе.