IGBT

IGBT Insulate Gate Bipolar Transistor

IGBT |1 ประวัติ IGBT ซงึ่ pnp ทรานซสิ เตอร6ถกู ขับเคลือ่ นดวA ย MOSFET ไดรA ับการเสนอครง้ั แรกโดย K. Yamagami และ Y. Akagiri ของ Mitsubishi Electric ในสทิ ธบิ ตั รญ่ีปุนf S47-21739 ซ่ึงยื่นในปn 1968 หลงั จากการจำหนาt ย MOSFET เชิงพาณชิ ย6ในปn 1970 B. Jayant Baliga สงt การเปด{ เผยสทิ ธิบตั รที่ General Electric (GE) ในปn 1977 โดยอธิบายถงึ อุปกรณส6 ารกึ่งตวั นำไฟฟา€ ดวA ยโหมดการทำงานของ IGBT รวมถงึ MOS gating ของ thyristors, VMOS สี่ชนั้ (V- groove MOSFET) โครงสราA งและการใชAโครงสราA ง MOS-gated เพอ่ื ควบคมุ อุปกรณเ6 ซมคิ อนดกั เตอร6สชี่ ้นั เขาเร่ิม ประดษิ ฐอ6 ปุ กรณ6 IGBT ดAวยความชtวยเหลือของ Margaret Lazeri ที่ GE ในปn 1978 และประสบความสำเรจ็ ใน โครงการในปn 1979 ผลการทดลองไดรA บั การรายงานในปn 1979 โครงสรAางของอปุ กรณถ6 ูกเรียกวtา \"อุปกรณ6 V- groove MOSFET ทม่ี บี รเิ วณระบายน้ำถูกแทนที่ดวA ยบรเิ วณขัว้ บวกชนดิ p\" ในบทความน้ีและตอt มาเปน• \"วงจร เรียงกระแสที่หAมุ ฉนวน\" (IGR) ฉนวน - เกททรานซสิ เตอร6 (IGT) ทรานซิสเตอรเ6 อฟเฟกต6สนามไฟฟ€า (COMFET) และ \"ไบโพลาร6 - โหมดมอสเฟต\" IGBT (IGBT) ย<อมาจาก Insulate Gate Bipolar Transistor ภาพที่ 1 ภาพสัญลักษณข6 อง IGBT ทง้ั 2 แบบ IGBT คอt นขาA งจะเปน• อปุ กรณท6 ใ่ี หมอt ยูt แตพt อจะมใี ชAกนั บาA งในป’จจบุ นั และมีจำหนtายกนั หลากหลายเบอร6ดวA ย กัน ในป’จจุบันจงึ มสี ญั ลกั ษณอ6 ยtูหลายรูปแบบดวA ยกนั ซ่งึ ขน้ึ อยูกt ับผAผู ลิตวtาจะมกี ารกำหนดสญั ลกั ษณ6ใดๆ เปน• สัญลักษณ6ประจำสินคาA ท่ีผลติ ขนึ้ สวt นมากจะมีอยูt 2 แบบดงั ภาพท่ี 1 ซ่ึงเปน• สัญลกั ษณ6และช่ือเรียกขาตาt งๆ ของ IGBT ชนิด N-Channel จากภาพที่ 1 (a) จะเหน็ วาt มีสัญลกั ษณ6คลAายกับ MOSFET มากๆ เพยี งแตt สญั ลักษณ6จะมีลูกศรเพ่ิมข้นึ มาตรงขา DRAIN ลักษณะของลูกศรจะช้เี ขาA หาตัวหรือชเี้ ขาA หาชั้นของซลิ คิ อนภาย ในตัว IGBT สวt นสัญลักษณ6ของภาพท่ี 1 (b) จะเหมือนกบั สัญลักษณ6ของ Transistor แตตt รงขาเกต (หรือ) ขา เบสของ Transistor จะเพ่มิ ขดี ขึน้ มาอกี หนึ่งขดี เพือ่ ใหAเห็นวtาขีดทเี่ พิม่ มาน้ันไมtไดAตอt ถงึ กันโดยตรงกับขาทต่ี อt ออกมาใชAภายนอก

IGBT |2 ภาพท่ี 2 ภาพหนาA ตดั โครงสรAางพ้ืนฐานของ IGBT โครงสรAางของ IGBT ชนิด N-Channel แสดงเปน• ภาพตัดขวางไดA ดังภาพที่ 2 โครงสรAางสวt นมากจะมี ลกั ษณะเหมือน MOSFET จะแตกตาt งกันตรงที่ IGBT จะมีช้นั P+ หรอื ชน้ั INJECTING จะตอt อยรtู ะหวาt งขา DRAIN ซึง่ ในทนี่ ี้ MOSFET จะไมtมี และจากการท่ขี า GATE ถกู กั้นดวA ยช้นั ของซิลคิ อนออกไซด6 (SiO2) เปน• ผล ทำใหคA วามตาA นทานอนิ พตุ ท่ขี าเกตมคี าt สงู มากเหมอื นกบั เพาเวอร6 MOSFET โดยท่ัวไปจะมคี าt อยชtู วt ง 10 GW ภาพท่ี 3 (a) กราฟแสดงคณุ สมบัติระหวtางกระแสและแรงดนั ของ IGBT (b) กราฟแสดงลักษณะสมบัตกิ ารถาt ยโอนของ IGBT

IGBT |3 จากผลดงั กลาt วทำใหลA กั ษณะของกราฟแสดงคณุ สมบัติของกระแสและแรงดันของ IGBT มีลกั ษณะ คลAายกบั ระหวtางขาเกต และขาซอรส6 มากกวtาการควบคุมกระแสทีข่ านีจ้ ะเหมือนกบั ตัว Transistor ซึ่งกราฟ แสดงแสดงคณุ สมบัติของกระแสและแรงดนั ของ IGBT แสดงดงั ภาพที่ 3 (a) และภาพท่ี 3 (b) เปน• กราฟ คณุ สมบัติการถาt ยโอนกระแสและแรงดนั กราฟของTransistor แตกt ารควบคุมกระแส DRAIN จะอาศยั การ ควบคุมแรงดัน จากภาพกราฟแสดงใหเA ห็นวtาสวt นใหญtของเสAนกราฟกจ็ ะมีคุณลกั ษณะเป•นเสนA ตรงแตจt ะเร่มิ โคAงก็ตtอเม่ือกระแส DRAIN ตtางๆ นน่ั ก็คอื จดุ ทีแ่ รงดันระหวาt งขาเกตและ ขาซอร6ส ต่ำลงซอรส6 นี้ต่ำกวtาแรงดัน ทจ่ี ุด VGS (th) แลวA IGBT จะอยtใู นสภาวะหยุดนำกระแสหรือ คัทออฟ ในกรณีของ IGBT ชนิด P-Chanel นั้น คณุ สมบัตจิ ะคลAายกับ N-Channel แตโt ครงสรAางและสญั ลกั ษณม6 ีลักษณะตรงกันขAามกับ N-Channel สภาวะนำกระแส ภาพที่ 4 ทศิ ทางการไหลของอเิ ล็กตรอนและโฮลในขณะนำกระแส ขา DRAIN เม่อื ไดรA บั แรงดันไบอสั ตรงคือ เปน• บวกเมือ่ เทยี บกับซอรส6 และแรงดนั ระหวาt งเกตกบั ซอรส6 มคี tาเกนิ VGS(th) ประจไุ ฟฟา€ บวกทีเ่ กิดจากแรงดนั ท่ขี าเกตจะดึงเอาอเิ ลก็ ตรอนคอื กระแสอิเลก็ ตรอน ท่ี ไหลจากขาซอรส6 ผาt นบรเิ วณใตAเกตมายังบรเิ วณรอยเลอ่ื น n- จะรวมกบั โฮลจะทเ่ี ป•นพาหนะขาA งนAอยที่ถูกฉดี มา จากชัน้ INJECTING p+ เพราะท่ีรอยตtอ J1 ไดAรับแรงดันไบอสั ตรง ทำใหA IGBT อยใtู นสภาวะนำกระแสเกดิ การ ไหลของกระแสไฟฟา€ จาก DRAIN ไปยังซอร6สไดA การรวมกนั ของโฮลและอเิ ล็กตรอนภายในบริเวณ n- เรียกวาt การมอดูเลตสภาพการนำกระแส ผลการมอดูเลตน้ีจะทำใหAความตAานทานของบริเวณ n- มคี tาต่ำลงเปน• การเพ่มิ ความสามารถในการขบั ผาt นกระแสไดสA ูงข้นึ ซึง่ มลี กั ษณะเหมอื นเพาเวอร6 Transistor ผลของความตAานทานที่ ลดลงทำใหAแรงดนั ตกครtอมท่ีสภาวะนำกระแสลดต่ำลงดวA ย การสูญเสยี กำลังงานขณะนำกระแส จงึ ลดลงดวA ย ทิศทางการไหลของอเิ ล็กตรอนและโฮล

IGBT |4 สภาวะหยุดนำกระแส เมอื่ แรงดันระหวtางขาเกตและซอรส6 ลดลงต่ำกวtาแรงดัน VGS(th) จะทำใหAมแี รงดนั ที่ไมtเพียงพอ สำหรับการแปรสภาพชน้ั บอดี้ p เปน• n ไดAทำใหAบรเิ วณ n-ไมtตรงกับบรเิ วณซอรส6 n+IGBT จึงจะอยtใู นสภาวะ หยุดนำกระแส และในสภาวะนร้ี อยตtอ J2 ท่ไี ดAรับแรงดนั ไบอสั กลบั จะทำใหเA กดิ กระแสร่ัวไหล เพียงเลก็ นAอย เทtานนั้ และนอกจากน้ียังทำใหAเกดิ บรเิ วณปลอดพาหะข้นึ ท่ีรอยตtอ J2 ดวA ยบรเิ วณปลอดพาหะนจ้ี ะมกี ารขยาย บรเิ วณกวาA งขึ้นจนเกนิ เขAามายังบริเวณ n- มากกวtาทจ่ี ะขยายไปยังบรเิ วณชัน้ บอด้ี p เพราะชัน้ บอดี้ p มีความ หนาแนtนของสารท่โี ดปš บริเวณรอยเลือ่ ย n- มากเพยี งพอกจ็ ะทำใหเA กดิ การขยายของบรเิ วณปลอดพาหะท่ีไมt สามารถแตะกับชัน้ อนิ เจ็ทตง้ิ p-ไดA ชนั้ บฟั เฟอร6 n+ (Buffer Layer) กไ็ มจt ำเป•นท่จี ะตAองทำใหเA กิดขนึ้ หรือไมt จำเปน• ท่จี ะตAองโดปš สารเพมิ่ ทงั้ นีเ้ พราะการแตะกนั ของบริเวณท้งั สองจะทำใหเA กิดการพงั ทลายทางดาA นไบอัส ตรงสำหรับ IGBT ทีไ่ มtการโดšปสารในชน้ั บัฟเฟอร6 n+ นี้จะเรียกวtา IGBT แบบสมมาตรซ่งึ จะมีอัตราการทน แรงดนั ยAอนกลบั (VRM หรอื BVSDS) เหมาะสาหรบั การนำไปประยุกต6ใชAในวงจรไฟฟ€ากระแสสลบั การลด บริเวณความหนาของ n- ลงแตยt ังคงความสามารถของอัตราทนแรงดนั ไบอัสตรงไวA สามารถทำไดAโดยเพิม่ ของ ชั้นบัฟเฟอร6 n+ เขาA ไปเพอ่ื ป€องกนั การแตะกนั ของบริเวณปลอดพาหะกบั บริเวณ INJECTING p+ ซงึ่ จะเรียก IGBT ชนดิ นว้ี าt IGBT แบบไมtสมมาตร และจากการลดความหนาแนtนทำใหAแรงดนั ตกครอt มขณะนำกระแส ลด ต่ำลง เปน• ผลใหกA ารสญู เสียกำลงั งานลดนอA ยลงดAวยแตtขอA เสียของการเพ่ิมของช้ันบัฟเฟอร6 n+ ก็คอื จะลด ความสามารถของอัตราทนแรงดันดาA นยAอนกลบั ใหAเหลอื นAอยลง เพยี งไมกt สี่ ิบโวลตน6 ัน้ ท้งั นเี้ มื่อ IGBT ไดรA ับแรง ดนั ไบอสั กลบั ท่ขี า DRAIN รอยตtอ J1 ซ่ึงทั้งสองขAางมคี วามหนาแนนt ในการโดšปของสารมาก จะไมสt ามารถทน แรงดันดAานยAอนกลบั ไดAสงู ดังนน้ั IGBT ชนิดนไี้ มเt หมาะสมท่จี ะนำมาใชใA นวงจรไฟฟ€ากระแสสลับ การแลตชOใน IGBT นอกจากน้โี ฮลสวt นใหญtท่ีรวมกบั อเิ ล็กตรอนภายใตบA รเิ วณ n- แลวA ยงั มีกระแสโฮลบางสวt นทีไ่ หลขาA ม บริเวณ n- เขAาสบtู ริเวณช้นั บอดี้ p โดยตรง ผลของกระแสโฮลนที้ ำใหเA กิดแรงดันตกครอt มความตAานทาน ขาA งเคยี ง ดังภาพท่ี 4 ถAาแรงดนั นี้มคี tามากพอคือประมาณ 0.7 โวลต6 จะทำใหรA อยตtอ J3 ไดAรบั ไบอัสตรง เปน• ผลใหAอเิ ล็กตรอนจากบรเิ วณซอรส6 n+ ถกู ฉีดเขาA มาในชั้นบอดี้ p ถAาดจู ากภาพท่ี 6(c) จะหมายถงึ ขาเบส และ Emitter ของ TransistorNPN จะไดAรบั แรงดันไบอัสตรงจะสงt ผลใหAไทริสเตอร6ซ่ึงแฝงอยูภt ายใน โครงสราA งของIGBTจะอยใูt นสภาวะแลตช6 การนำกระแสทำใหAท่ีขาเกตไมtสามารถควบคุมปริมาณกระแสDRAIN ไดอA กี ตtอไป แตกt ารควบคมุ ของกระแสDRAINนีจ้ ะขึ้นอยกtู บั ตัวตาA นทานที่นำมาตtอในวงจรภายนอกถAาหากมีการ แลต็ ช6เกดิ ข้ึนในวงจรเป•นเวลานาน อาจทำใหA IGBT เสียหายไดเA พราะมีการสูญเสยี กำลังงานเกินคtาพิกัดกระแส ที่ทนไดA สtวนใหญtหรอื มาตรฐานคมtู ือการผลิต มกั จะมีการบอกคtากระแส DRAIN สงู สดุ ทส่ี ามารถไหลผาt นIGBT ไดโA ดยยงั ไมtเกิดการแลต็ ช6ขึ้น (IDM) แตเt นือ่ งจากกระแส DRAIN ถกู กำหนดหรือควบคุมโดยตรงจากแรงดัน ระหวาt งขาเกตและซอรส6 บางครงั้ คูมt ือบอกแรงดนั ท่สี งู สดุ ระหวาt งขาเกตและซอรส6 สงู สดุ การแลตชท6 ี่กลtาวถึง

IGBT |5 ขAางตนA เรียกวาt การแลตชใ6 นโหมดสแตตกิ เพราะเกิดขน้ึ เมอื่ กระแสที่ไหลในสภาวะการนำกระแสมีคtาเกิน IDM แตลt กั ษณะการแลตช6นีก้ ็สามารถเกิดขึ้นไดA เรยี กวาt โหมดไดนามกิ ซ่งึ จะเกดิ ขึน้ เมอ่ื มีการเปลยี่ นการทำงานจาก สภาวะนำกระแส ไปเขาA สูtสภาวะหยดุ นำกระแสไดAดวA ย ในบางครัง้ การแลตชน6 ้ีเกิดข้นึ ไดแA มAวาt กระแส DRAIN ขณะนำกระแสยงั มคี าt ต่ำกวtาคาt IDM กต็ ามยงั สtงผลที่เกิดข้ึนทำใหAบริเวณปลอดพาหะทม่ี กี ารขยายบริเวณของ ชนั้ บอด้ี p โดยเฉพาะจะขยายเขาA สบูt ริเวณ n- มากกวtา เพราะมีความหนาแนtนของการโดšปสารท่ีต่ำกวtา การ ขยายบริเวณของปลอดพาหะอยาt งรวดเร็ว จะทำใหโA ฮลทค่ี Aางอยบูt รเิ วณ n- ขณะนำกระแสและยังไมtไดAรวมกับ อิเลก็ ตรอนหลดุ รอดจากการขดั ขวางของบริเวณปลอดพาหะ เขAาไปสะสมอยูใt นบรเิ วณรอยตtอ J2 เปน• การเพม่ิ กระแสท่ีไหลผาt นตัวตAานทานขาA งเคยี งใหสA ูงขึ้นทำใหAไทริสเตอร6ภายใน IGBT เกดิ การแลตช6ขึน้ ไดA เมอ่ื เกดิ การ แลตช6ขน้ึ นนั้ แรงดันตกครtอม ขาซอร6สและDRAINขณะนำกระแสจะมคี าt ต่ำกวาt ระดับปกติ นอกจากน้กี ารแลตช6 ยังสามารถเกดิ ขึ้นไดอA กี การปRองกนั การแลตชO การหลีกเลีย่ งการแลตชข6 อง IGBT สามารถทำไดAทั้งผผAู ลิตและผใAู ชงA านเองโดยจะมอี ยูtสองวิธีดงั น้ี วิธี แรกอาจทำไดโA ดยลดความกวAางของบรเิ วณซอร6ส n+ ลงนั่นคอื ลดคtา Ls ลงนนั่ เอง วิธที ่ีสองเป•นการแบtงระดับ ความหนาแนtนในการโดปš สารของบรเิ วณบอดี้ p ดังในภาพที่ 2.7 ภาพที่ 5 โครงสราA งท่ีปรบั ปรุงเพ่ือปอ€ งกันการแลตช6ในIGBT 13 จะเหน็ วาt บริเวณบอด้ี p ภายใตเA กตจะโดšปดวA ยความหนาแนtนในระดบั ปกติ 1016 cm3 และมีความ หนาแนนt นAอยกวาt ของบรเิ วณซอร6ส n+ แตสt วt นอนื่ ทีเ่ หลือของบริเวณบอดี้ p จะโดšปดวA ยสวt นความหนาแนนt ท่ีมี มากกวtาคอื 1019 cm3 รวมถงึ ความหนาก็จะมีมากกวtาดAวยการทำเชtนนีจ้ ะทำใหเA พิม่ ความสามารถในการ นำกระแสใหAสงู ขึ้น เปน• การชวt ยลดความตAานทานขAางเคียงใหนA Aอยลงดวั ย สำหรบั ผใูA ชAงานก็สามารถป€องกันการ

IGBT |6 แลตชใ6 นโหมดสแตตกิ ไดA โดยออกแบบไมใt หAกระแสท่ีไหลในโหลดไหลเกนิ คาt กระแส IDM และปอ€ งกนั การแลตช6 ในโหมดไดนามิกไดA โดยหนวt งเวลาขณะหยดุ นำกระแสใหยA าวข้ึน เพ่ือใหโA ฮลท่ยี ังคAางอยtใู นบรเิ วณ n- มเี วลา พอท่ีจะรวมกับอิเลก็ ตรอน เป•นการลดกระแสท่ีไหลผtานคtาความตาA นทานขาA งเคยี งใหนA อA ยลงเผอ่ื ใหAไดกA ารหนวt ง เวลาขณะหยุดนำกระแสใหยA าวนานขนึ้ ทำไดโA ดยการเพมิ่ ความตาA นทานภายนอกอนกุ รมเขAากับขาเกตของIGBT วงจรสมมูลของIGBT ภาพที่ 6 (a) แสดงโครงสราA งท่ีมีTransistorและ MOSFET ฝง’ อยูtภายใน (b) วงจรสมมลู สำหรบั การทางานสภาพปกติของ IGBT (c) วงจรสมมลู ทแ่ี สดงสtวนของไทริสเตอร6ทแ่ี ฝงอยtใู น IGBT วงจรสมมูลของIGBTแสดงไวAในภาพท่ี 6 โดยในภาพ (a) นั้นจะเหน็ วtาในบริเวณบอดี้ p ชัน้ บริเวณ n- และชัน้ NJECTING p+ จะคลAายกับTransistorชนดิ NPN โดยแทนไดAดวA ยขาCollector เบสและEmitter ตามลำดบั และบรเิ วณภายใตAเกตก็จะแทนไดAดAวย MOSFET ซ่ึงจะมคี วามตาA นทานบรเิ วณ n- เชื่อมขาเบสของ TransistorPNPเขAากบั ขา DRAIN ของ MOSFET ซ่ึงเมือ่ เขยี นวงจรสมมลู ออกมาจะไดAวงจรดังภาพที่ 6(b) จาก ภาพที่ 6(b) จะเห็นวtาเป•นวงจรดาร6ลงิ ตนั โดยมี MOSFET เป•นตวั ขบั Transistor PNPแตtมจี ุดพิเศษที่แตกตาt ง จากวงจรทวั่ ไป คอื กระแส DRAIN สtวนใหญtจะไหลจาก Emitter มายงั เบส ผาt นความตAานทานบรเิ วณรอย เล่ือน และผtานขา DRAIN ของ MOSFETมาจบลงท่ขี าซอรส6 จะมกี ระแสสวt นนอA ยเทtานัน้ ท่ีไหลจาก Emitter มายงั Collector และขาซอร6ส สำหรับวงจรในภาพที่ 6(c) จะแสดงใหเA ห็นวtาภายใน IGBT จะมไี ทรสิ เตอรแ6 ฝง อยูtดAวยโดยดไู ดจA ากTransistorชนิด NPN และ PNP ตtอเขาA ดวA ยกันในลักษณะท่ีมกี ารป€อนกลบั จะเหน็ ไดA

IGBT |7 ชัดเจนถงึ เหตุที่ทำใหAเกดิ การแลตช6ของ IGBT ถAากระแสสวt นนอA ยทไ่ี หลผาt นจาก Emitter มายัง Collector ของ TransistorPNP แลAวผาt นความตาA นทานขAางเคยี งของรอยตtอแลวA นั้น กจ็ ะทำใหเA กิดแรงดนั ตกครอt มความตAาน ทานสูงกวาt 0.7 โวลต6 TransistorNPN จะนำกระแส สtงผลใหAเกิดการแลตชข6 ้ึนใน IGBT สำหรับแรงดนั ตกครอt ม ขา DRAIN และ ซอรส6 ของ IGBT ขณะนำกระแส Vds(on) สามารถเขียนสมการ ไดAดงั นี้ Vds(on) = Vj1+Vdrift + IDRchannel (2.1) เม่ือ Vj1 เปน• แรงดนั ไบอัสตรงที่ตกครtอมรอยตอt พีเอ็นจึงมคี tาคtอนขAางจะคงท่ีและจะมกี ารเปลยี่ นแปลง บAางก็เล็กนAอย เพราะมคี วามสมั พนั ธโ6 ดยตรงในลกั ษณะเอ็กซ6โปเนนเซียลกับกระแส ทำใหAมคี tาอยรtู ะหวาt ง 0.7-1 โวลต6 Vdrift เปน• แรงดันทีต่ กครอt มความตาA นทานบรเิ วณรอยเลือ่ นซ่งึ ความตAานทานนม้ี ีคtาคอt นขาA งคงที่ เมื่อ เปรยี บเทยี บกบั คาt แรงดันใน MOSFET แลวA จะมคี tานAอยกวtาเพราะผลของการมอดเู ลตสภาพนาทเี่ กดิ ขึ้นใน IGBT Rchannel เป•นคาt ความตAานทานในยtาน 1-1,000 โอหม6 มีคาt คtอนขาA งคงที่ IDRchannel เปน• แรงดนั ตกครtอม MOSFET ดงั นนั้ จึงสรปุ ไดAวาt Vds(on) จะมีคาt สงู มากขึ้นตามคtากระแส DRAIN ท่ีสูงข้นึ โดยทัว่ ไป IGBT จะสามารถ ทำงานไดAในอุณหภมู ริ อยตtอสงู สดุ ถึง 150 องศาเซลเซยี ล และผลของการเปลี่ยนแปลงอณุ หภมู จิ ากคtาอณุ หภูมิ หAองไปถึงคtาสูงสุดน้ี กจ็ ะสงt ผลใหAเกดิ การเปลย่ี นแปลงของคาt Vds(on) เพยี งเลก็ นAอยเทtานน้ั เพราะIGBT มีคtา Vds(on) เปน• ผลรวมระหวtางแรงดนั ตกครtอม MOSFET ท่มี ีสมั ประสิทธท์ิ างอุณหภมู เิ ปน• บวก(อุณหภูมิสงู ข้นึ แรงดันตกครtอมความตาA นทานบรเิ วณลอยเลอ่ื นจะสงู ข้ึนตาม) กับแรงดนั ตกครอt มความตาA นทานบริเวณรอย เลือ่ นทีม่ ีสมั ประสิทธ์ิของอณุ หภมู ิ ลักษณะการสวิตชO ลักษณะของสัญญาณกระแสและแรงดนั ในชวt งเวลาทเี่ กดิ การนำกระแสและหยุดนำกระแส

IGBT |8 ภาพท่ี 7 (a) ลักษณะของกระแสและแรงดันขณะนำกระแส (b) ลักษณะของกระแสและแรงดันขณะหยุดนำกระแส โดยชวt งเวลาในการนำกระแสของIGBTจะแสดงไวใA นภาพท่ี 7(a) ซ่ึงะมีลกั ษณะของ การนำกระแสจะ คลAายกับการนำกระแสของ MOSFET คอื จะมีเวลากtอนการนำกระแส (td(on)) จะนับต้งั แตเt วลาท่แี รงดนั ระหวาt ง เกตกบั ซอรส6 อยtใู นชวt ง VGG- จนถึง VGS(th) ความจริงแลวA การปอ€ นแรงดนั นจ้ี ะมีลักษณะการ เปล่ียนแปลงทนั ทที นั ใดจากคtา VGG- เป•น VGG+ แตมt ีลักษณะเป•นเอก็ ซโ6 ปเนนเซยี ล เหตทุ ่ีเปน• เชtนนน้ั คอื เนื่องมาจากผลการชาร6จประจขุ องตวั เกบ็ ประจรุ ะหวtางขาเกตและขาซอร6ส และ GATE กบั DRAIN ภายใน IGBT แรงดนั ทีข่ าDRAINจะยงั คงท่ีในชวt งเวลาขาขึ้น (tri) หรอื ในชtวงเวลาที่กระแส DRAIN ยังไมถt ึงคtากระแส ทำงานนี้ (Io) หลงั จากกระแส DRAIN ก็จะคงท่แี ตแt รงดันจะจะตกลงสtูคาt VSD(on) โดยจะแบtงชtวงเวลาลงเปน• สองชtวง คอื ชtวง tfv1 เปน• ชวt งทท่ี ำงานอยูtในยtานความตAานทานสงู ๆ สวt น tfv2 ชวt งที่ทำงานอยใูt นชวt งความ ตาA นทานต่ำ ในภาพที่ 7(b) จะเป•นภาพแสดงลักษณะกระแสและแรงดนั ในชtวงเวลาทไี่ อจบี ที ี่หยุดนำกระแส จะ เหน็ ไดวA tากระแสDRAINยงั คงที่อยตtู ลอดชtวงเวลาท่แี รงดนั ทขี่ าDRAINเพ่มิ ขน้ึ และมชี วt งเวลาลงของกระแส ท่ขี า DRAIN ทีแ่ ตกตtางชัดเจนสองชวt งโดยชวt งแรก tfi1 จะเปน• ชtวงหยุดนำกระแสของ MOSFET ภายใน IGBT แตt และชtวง tfi2 จะเปน• ชวt งหยุดนำกระแสของ TransistorPNP ซึ่งจะชาA กวtา MOSFET ทำใหAชtวงเวลาน้นี านกวtา ชวt งแรกและมีการสญู เสียกำลังงานมากในชtวงนี้

IGBT |9 พน้ื ทกี่ ารทำงานท่ปี ลอดภัย ในขณะไบอัสตรงที่กวAางมากเกอื บไดAเป•นส่ีเหล่ยี มสำหรับเวลาในการสวิตช6ที่สั้นๆ น้นั แตtจะแคบลงเมือ่ เวลาในการสวิตช6ยาวนานขึน้ ซึง่ ถAาเทียบกับเพาเวอร6 MOSFET แลวA IGBT จะทำงานไดใA นชtวงพืน้ ทท่ี กี่ วAางกวาt เมอ่ื เวลาในการสวิตช6เทาt กนั IGBT มพี ื้นท่กี ารทำงานท่ปี ลอดภัยท้งั ในระหวาt งนำกระแสและหยุดนำกระแส โดย มพี ้ืนทก่ี ารทำงานท่ปี ลอดภยั ภาพที่ 8 (a) พืน้ ท่ีการทางานทปี่ ลอดภยั ในสภาวะไบอัสตรง (b) พ้นื ท่กี ารทางานที่ปลอดภัยในสภาวะไบอสั กลบั ในชtวงระยะเริ่มนำกระแสและขณะทีน่ ำกระแสแลAว จุดการทำงานของ IGBT กจ็ ะตอA งมีขนาดแรงดนั และกระแสทข่ี า DRAIN อยtภู ายในพื้นท่ีการทำงานทีป่ ลอดภยั ในชtวงไบอัสตรงเสมอ ดงั ภาพที่ 8(a)หาก ไมเt ชนt น้นั แลวA จะทำใหAเกดิ การเสียหายเกดิ ขน้ึ กับ IGBT จากรูปพนื้ ทีก่ ารทำงานทปี่ ลอดภัยของ IGBT น้แี สดงถงึ ขดี จำกดั ของกระแส DRAIN , อัตราทนแรงดันไหลตรงและอณุ หภมู ิ รอยตtอของ IGBT ตามลำดบั สำหรบั การ ทำงานที่ปลอดภัยในชวt งของการไบอสั กลบั จะแตกตาt งจากในชtวงไบอัสตรงโดยในรูปน้ี จะแสดงคtาจำกัดของ คาt อัตราการเปลีย่ นแปลงแรงดันที่ขา DRAIN ตtอ เวลา (dvDS/dt) ซ่งึ จะเกิดขึ้นในชวt งระหวtางหยดุ นำกระแส แทนขีดจำกดั ทางดาA นอุณหภูมิท่รี อยตอt และจะมีพ้นื ทแ่ี คบลงถAา ( dvDS/dt) มคี าt สงู มากขน้ึ สวt นเหตุผลทถี่ กู จำกัดโดยคtานี้เพราะไมตt AองการใหเA กดิ การแลตช6ข้นึ ที่ IGBT คtา (dvDS/dt) น้ีจะมผี ลโดยตรงกับชtวงเวลาหยดุ นำกระแสของ IGBT หมายความวtาถาA มีอัตราการเปลีย่ นแปลงเรว็ จะทำใหชA tวงเวลาหยดุ นำกระแสนอA ยแตtก็ยัง ถือวาt โชคดีท่ขี ีดจำกดั dvDS/dt ของ IGBT มีคาt สูงมาก เมือ่ เทยี บกับอปุ กรณ6ไทรสิ เตอร6ตวั อน่ื ๆ ดงั นั้นความ จำเปน• ในการใชAวงจรสนบั เบอรเ6 พื่อปอ€ งกนั การแลตช6 กไ็ มมt ีความจำเป•นตAองใชA และการควบคมุ คาt dvDS/dt ท่ี เกิดขนึ้ ยงั ทำไดAงาt ยขึน้ ดวA ยการออกแบบวงจรขับเกตท่ีมคี าt ความตAานทานที่ตtอกบั ขาเกต และคาt VGG- ที่ เหมาะสม

I G B T | 10 การนําไปใชงe าน นยิ มนาํ IGBT ไปใชAในวงจรขับมอเตอร6สาํ หรับรถไฟฟา€ วงจรขบั และควบคุมมอเตอร6 ในเคร่ืองใชไA ฟฟ€า ภายในบAาน วงจรปรบั ปรุงคาt เพาเวอร6แฟคเตอรใ6 นระบบจาํ หนาt ยไฟฟา€ อินเวอร6เตอร6สําหรับเซลล6แสงอาทติ ย6 แหลtงจtายไฟฟา€ ฉกุ เฉนิ (UPS) เตาไฟฟ€าแบบ เหน่ียวนํา (Induction heating cooker) และเคร่อื งเชือ่ มไฟฟ€า ความถ่สี งู เปน• ตAน ตวั อย<างการนำ IGBT ใชeกบั เตาไฟฟRาแบบเหน่ยี วนาํ เปน• เตาไฟฟา€ ท่ไี มมt ีลวดความรอA น แตใt ชกA ารเหนย่ี วนําของขดลวดดวA ยความถส่ี งู ทาํ ใหเA กดิ ความรอA น ขน้ึ ใชAในการหุงตAมกับไดAดแี ตใt ชกA ําลังไฟฟา€ ในการใหAความรAอนนอA ย กวtาเตาแบบลวดความรอA นอยาt งมาก วงจร เตาไฟฟา€ แบบเหนยี่ วนํา การทำงานของเตาหุงตAมเหน่ียวนำความรอA น ทพี่ กิ ดั กำลังไฟฟา€ ทางดAานอนิ พุตขนาด 1 กิโลวัตต6 โดยใชAอปุ กรณ6ในการสวิตซ6เป•นไอจีบที เี พยี งตัวเดียว ในสวt นของการควบคมุ ใชAไมโครคอนโทรลเลอร6 ตระกลู PIC ในการสรAางสัญญาณ CCP ขบั ไอจบี ีที และใชใA นสวt นของการป€องกนั กระแสเกินและอณุ หภมู ิท่สี งู เกนิ การปรบั กำลังไฟฟ€าทางดAานเอาท6พุตใชกA ารควบคุมดAวยการปรบั ความถีแ่ ละการปรบั คาt ดวิ ตไี้ ซเคิลที่ ไมโครคอนโทรลเลอร6 จากการทดลอง ไดAทำการทดสอบโดยการใชภA าชนะสแตนเลสสตลี ขนาดเสนA ผาt น ศูนยก6 ลาง 20 เซนติเมตร พบวาt การทำงานของเครือ่ งมปี ระสิทธภิ าพรวมท่ี 80.18% คtาผลรวมการกระจายฮาร6 มอนิกของกระแสเฉล่ยี เทาt กับ 4.07 เปอรเ6 ซน็ ต6 และคtาตัวประกอบกำลงั ทางดAานอินพตุ เทาt กบั 0.99 ภาพที่ 9 วงจรเตาไฟฟา€ แบบเหนย่ี วนำโดยมี IGBT รtวม

I G B T | 11 ภาพ ที่ 11 ภาพการใชAงาจริงเตาไฟฟ€าแบบเหนีย่ วนาํ สรปุ ไอจีบีที (IGBT : Insulate Gate Bipolar Junction Transistor) เปน• อุปกรณ6 อเิ ล็กทรอนกิ สท6 กี่ ําลงั พัฒนาขึ้นมาไมtนานนัก โดยใชAการผสมผสานกันระหวtางขอA ดดี าA น เอาตพ6 ตุ ของทรานซสิ เตอร6และขAอดีดAาน อินพตุ ของมอสเฟต กลtาวคอื ไอจีบีที จะมี คณุ สมบัติดาA นอินพตุ เหมอื นมอสเฟต คือมคี วามตาA นทานอินพตุ สงู มาก แตมt ีความ ตาA นทานเอาต6พุต เม่ือนํากระแสต่ำ ทําใหA ไอจีบีที เป•น อปุ กรณอ6 เิ ลก็ ทรอนกิ ส6กําลัง ที่ควบคุม การ เป{ด-ปด{ ของกระแสไฟฟา€ ไดดA วA ยแรงดนั (Voltage control current source) เชนt เดียวกับมอสเฟตกําลัง ไอจีบที ี เป•นสวติ ช6อเิ ล็กทรอนิกส6กําลังทท่ี าํ งาน ไดใA นยาt นความถี่สูงกวtาทรานซิสเตอร6 แตตt ่ำกวาt มอสเฟต คือท่ี ความถร่ี ะหวtาง 1kHz- 100KHz แตพt กิ ัดของกระแสและแรงดันไฟฟา€ สงู กวtา มอสเฟตกําลัง คือ 500A/2000V ไอจีบีที มีสามขา ขาอนิ พตุ คอื เกต(Gate) ขาเอาต6พุต คอื คอลเลกเตอร6(Collector) และ อิมิตเตอร6 (Emitter)

I G B T | 12 สวสั ดคี รับ ===============