IGBT ; Insulated gate bipolar transistor

IGBT ; Insulated gate bipolar transistor

ความผูกพันจากของเดิม

          อุปกรณ์เพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์คอนโทรล ที่พอจะคุ้นเคยและใช้งานกันอย่างกว้างขวางในขณะนี้ ก็เห็นจะไม่พ้นเอสซีอาร์ (SCR) ไตรแอก (TRIAC) ทรานซิสเตอร์กำลังและมอสเฟต โดยเฉพาะทรานซิสเตอร์และมอสเฟต ที่จะเป็นจุดพัฒนาการของอุปกรณ์ชนิดใหม่นี้ ซึ่งอุปกรณ์ทั้งสองชนิด ก็มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันออกไป กล่าวคือ

          ทรานซิสเตอร์กำลังขณะอยู่ในสภาวะนำกระแสจะมีอัตราการสูญเสียกำลังงานต่ำ มีอัตราแรงดันและขยายกระแสได้สูง แต่ความเร็วในการสวิตช์ทำงานยังต่ำอยู่ โดยเฉพาะช่วงหยุดนำกระแส จะมีช่วงเวลาที่ยาวกว่า ซึ่งจะเป็นคุณสมบัติที่ตรงข้ามกับเพาเวอร์มอสเฟต ที่มีความเร็วในการสวิตช์ทำงานนำกระแสและหยุดนำกระแสได้เร็วกว่ามาก แต่ก็มีอัตราการสูญเสียกำลังงานสูงมากเช่นกัน

          จากเหตุผลที่กล่าวมาของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์และเพาเวอร์มอสเฟตจึงได้มีการพัฒนาอุปกรณ์ประเภทนี้ จนสามารถได้อุปกรณ์เพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์คอนโทรลชนิดใหม่ขึ้นมา โดยคุณสมบัติต่าง ๆ จะรวมเอาข้อได้เปรียบของทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์และมอสเฟตเข้ามารวมไว้ในอุปกรณ์ชนิดใหม่นี้ โดยมีการตั้งชื่อหรือเรียกชื่ออย่างเป็นทางการว่า ไอจีบีที (Insulate Gate Bipolar Transistor : IGBT)

โครงสร้างและสัญลักษณ์

          IGBT ค่อนข้างจะเป็นอุปกรณ์ชนิดใหม่อยู่ โดยเฉพาะในตลาดอิเล็กทรอนิกส์เมืองไทย ซึ่งก็พอจะมีใช้กันบ้าง และมีจำหน่ายกันหลายเบอร์ด้วยกันจากความเป็นอุปกรณ์ หน้าใหม่จึงมีสัญญาณแทนชนิดและตัว IGBT อยู่หลายรูปแบบด้วยกัน ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตว่าจะใช้สัญลักษณ์ใดเป็นสัญลักษณ์ประจำสินค้าที่ผลิตขึ้น จากที่พบมากที่สุดก็มีใช้กันอยู่สองแบบ ดังแสดงไว้ในรูปที่ 1 ซึ่งเป็นสัญลักษณ์และชื่อเรียกขาต่าง ๆ ของ IGBT ชนิดเอ็นแชนเนล

รูปที่ 1 สัญลักษณ์และการเรียกชื่อขาของ IGBT ทั้ง 2 แบบ

          จากรูปที่ 1 (ก) จะเห็นว่ามีลักษณะคล้ายสัญลักษณ์ของมอสเฟตมาก เพียงแต่ว่าสัญลักษณ์ของ IGBT นั้นจะมีลูกศรเพิ่มขึ้นมาตรงขาเดรนลักษณะของลูกศรจะชี้เข้าหาตัว หรือชี้เข้าหาชั้นของซิลิคอนภายในตัว IGBT ในบทความนี้จะใช้สัญลักษณ์ในรูป (ข) จะเหมือนกับสัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์ แต่ตรงขาเกต (หรือเบสของทรานซิสเตอร์) จะเพิ่มขีดขึ้นมานี้ไม่ได้ต่อถึงกันโดยตรงกับขาที่ต่อออกมาภายนอก

รูปที่ 2 ภาพตัดขวางโครงสร้างพื้นฐานของ IGBT

           โครงสร้างของ IGBT ชนิดเอ็นแชนเนลแสดงเป็นภาพตัดขวางได้ดังรูปที่ 2 โครงสร้างโดยรวมส่วนใหญ่มีลักษณะคล้ายกับโครงสร้างของมอสเฟตมาก จะแตกต่างกันตรงที่ IGBT จะมีชั้น P+ หรือชั้นอินเจ็กติ้ง (injecting) ต่ออยู่ระหว่างขาเดรน ซึ่งในมอสเฟตนั้นไม่มี จากการที่ขาเกตถูกกั้นด้วยชั้นของซิลิคอนออกไซด์ (SiO2) เป็นผลทำให้ความต้านทานอินพุตที่ขาเกตมีค่าสูงมากเหมือนกับเพาเวอร์มอสเฟต โดยทั่วไปจะมีค่าอยู่ในช่วง 109 โอห์ม

รูปที่ 3 (ก) กราฟแสดงลักษณะคุณสมบัติระหว่างกระแสและแรงดันของ IGBT 

                     (ข) กราฟแสดงลักษณะสมบัติการถ่ายโอนของ IGBT

          จากผลดังกล่าวทำให้ลักษณะของกราฟแสดงคุณสมบัติของกระแสและแรงดันของ IGBT มีลักษณะคล้ายกราฟของทรานซิสเตอร์ แต่การควบคุมกระแสเดรน จะอาศัยการควบคุมแรงดันระหว่างขาเกตกับขาซอร์ส มากกว่า การควบคุมกระแสที่ขานี้เหมือนกันทรานซิสเตอร์ ซึ่งกราฟแสดงคุณสมบัติของกระแสและแรงดันของ IGBT แสดงไว้ในรูปที่ 3 (ก) และสำหรับรูปที่ 3 (ข) เป็นกราฟคุณสมบัติการถ่ายโอนกระแสและแรงดัน

         รูปกราฟแสดงให้เห็นว่าส่วนใหญ่ของเส้นกราฟจะมีลักษณะเป็นเส้นตรงแต่จะเริ่มโค้งที่กระแสเดรนมีค่าต่ำ ๆ นั่นก็คือจุดที่แรงดันระหว่างขาเกตและขาซอร์สต่ำลง ใกล้แรงดันจุดเริ่มเปลี่ยนสภาวะการทำงาน (จุด threshold voltage : Vgs(th) โดยถ้าแรงดันระหว่างหยุดนำกระแสหรือคัตออฟ ในกรณีของ IGBT ชนิดพีแชนเนลนั้น คุณสมบัติจะคล้ายกับเอ็นแชนเนล แต่โครงสร้างและสัญลักษณ์จะมีลักษณะตรงกันข้ามกับเอ็นแชนเนล เช่น ชนิดของสารที่โด๊ฟจากเอ็นแชนเนล ก็จะเปลี่ยนเป็นตรงกันข้าม สัญลักษณ์ลูกศรก็จะกลับเอาหัวลูกศรกลับไปในทางตรงกันข้าม

สภาวะนำกระแส

         เมื่อขาเดรนได้รับแรงดันไบแอสตรงคือเป็นบวกเทียบกับซอร์ส และแรงดันระหว่างเกตกับซอร์สมีค่าเกิน Vgs(th) ประจุไฟฟ้าบวกที่เกิดจากแรงดันที่ขาเกตจะดึงเอาอิเล็กตรอน ให้มารวมกันอยู่ในบริเวณภายใต้เกต ทำให้ชั้นบอดี้ (body layer) ตรงส่วนใต้เกตแปรสภาพเป็น n ทำให้เกิดการต่อกันของบริเวณ n- (drift region) เข้ากับบริเวณ n+ (source region) ซึ่งลักษณะเช่นนี้เหมือนกับการทำงานของ มอสเฟต

          กระแสอิเล็กตรอนที่ไหลจากขาซอร์สผ่านบริเวณใต้เกตมายังบริเวณลอยเลื่อน n- จะรวมกับโฮล ที่เป็นพาหะข้างน้อยที่ถูกฉีดมาจากชั้นอินเจ็กติ้ง P+ (ดูรูปโครงสร้างในรูปที่ 2) เพราะรอยต่อ J1 ได้รับแรงดันไบแอสตรง ทำให้ JGBT อยู่ในสภาวะนำกระแส เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าจากเดรนไปซอร์สได้ การรวมกันของโฮสและอิเล็กตรอนภายในบริเวณ n- เรียกว่า การมอดูเลตสภาพนำ (conductivity modulation)

รูปที่ 4 ทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนและโฮลในขณะนำกระแส

          ผลของการมอดูเลตนี้จะทำให้ความต้านทานของบริเวณ n- มีค่าต่ำลงเป็นการเพิ่มความสามารถ ในการขับผ่านกระแสได้สูงขึ้น ซึ่งจะมีลักษณะเหมือนกับทรานซิสเตอร์กำลัง ผลของความต้านทานที่ลดลง ทำให้แรงดันตกคร่อมที่สภาวะนำกระแสลดลง การสูญเสียกำลังงานขณะนำกระแสจึงลดลงด้วย ทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนและโฮลแสดงไว้ในรูปที่ 4

สภาวะหยุดนำกระแส

          เมื่อแรงดันระหว่างเกตและซอร์สลดลงต่ำกว่าแรงดัน Vgs(th) จะทำให้มีแรงดันไม่เพียงพอ สำหรับการแปรสภาพชั้นบอดี้ p เป็น n ได้ ทำให้บริเวณ n- ไม่ต่อกับบริเวณซอร์ส n+ IGBT จึงอยู่ในสภาวะหยุดนำกระแส ในสภาวะนี้รอยต่อ J2 ที่ได้รับแรงดันไบแอสกลับ จะทำให้เกิดกระแสรั่วไหลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น นอกจากนี้ยังทำให้เกิดบริเวณปลอดพาหะ (depletion region) ขึ้นที่รอยต่อ J2 ด้วย

          บริเวณปลอดพาหะนี้จะขยายบริเวณกว้างขึ้นจนเกินเข้ามายังบริเวณ n- มากกว่า ที่จะขยายไปยังบริเวณชั้นบอดี้ p ทั้งนี้เพราะชั้นบอดี้ p มีความหนาแน่นในการโด๊ปสารมากกว่า ถ้าความหนาแน่นของสารที่โด๊ปในบริเวณลอยเลื่อน n- มากเพียงพอ ก็จะทำให้การขยายของบริเวณปลอดพาหะ ไม่สามารถแตะกับชั้นอินเจ็กติ้ง p+ ได้ ชั้นบัฟเฟอร์ n+ (buffer layer) (ดังในรูปที่ 2) ก็ไม่จำเป็นต้องทำให้เกิดขึ้น หรือไม่จำเป็นต้องโด๊ปสาร

          ทั้งนี้เพราะการแตะกันของบริเวณทั้งสองจะทำให้เกิดการพังทลายทางด้านไบแอสตรง สำหรับ IGBT ที่ไม่มีการโด๊ปสารในชั้นบัฟเฟอร์ n+ นี้ จะเรียกว่า IGBT แบบสมมารถ ซึ่งจะมีอัตราทนแรงดันย้อนกลับ (Vrm หรือ BVsds) สูงพอ ๆ กับค่าอัตราทนแรงดันไหลตรง (BVdss) เหมาะสำหรับการนำไปประยุกต์ใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

          การลดความหนาของบริเวณ n- ลงแต่ยังคงความสามารถของอัตราทนแรงดันไหลตรงไว้ สามารถทำได้โดยเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์ n+ เข้าไปเพื่อป้องกันการแตะกันของบริเวณปลอดพาหะ กับบริเวณอินเจ็กติ้ง p+ ซึ่งจะเรียก IJBT ชนิดนี้ว่า IJBT แบบไม่สมมารตร และจากการลดความหนาของบริเวณลอยเลื่อย n- ลง จะช่วยส่งผลให้เกิดข้อดีสองประการคือ

           - ทำให้แรงดันตกคร่อมขณะนำกระแสต่ำลง เป็นผลให้การสูญเสียกำลังงานลดน้อยลงด้วย

           - ช่วยลดช่วงเวลาหยุดนำกระแสให้สั้นลงด้วย

          แต่ข้อเสียของการเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์ n+ ก็มี คือจะลดความสามารถของอัตราทนแรงดันย้อน กลับให้น้อยลงเหลือเพียงไม่กี่สิบโวลต์ ทั้งนี้เพราะเมื่อ IGBT ได้รับแรงดันไบแอสกลับ ที่ขาเดรน รอยต่อ J1 ซึ่งทั้งสองข้างมีความหนาแน่นในการโด๊ปของสารมาก จะไม่สามารถทนแรงดันย้อนกลับได้สูง ดังนั้น IGBT ชนิดนี้จึงไม่เหมาะที่จะนำไปใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

การแลตช์ใน IGBT

          นอกจากโฮลส่วนใหญ่ที่รวมกับอิเล็กตรอนภายใต้บริเวณ n- แล้ว ยังมีกระแสโฮลบางส่วนที่ไหลข้ามบริเวณ n- เข้าสู่บริเวณชั้นบอดี้ p โดยตรงผลของกระแสโฮลนี้ทำให้เกิด แรงดันตกคร่อมความต้านทานข้างเคียง (Interal resistance) ดังในรูปที่ 4 ถ้าแรงดันนี้มีค่ามากพอคือประมาณ 0.7 โวลต์ จะทำให้รอยต่อ J3 ได้รับไบแอสตรงเป็นผลให้อิเล็กตรอน จากบริเวณซอร์ส n+ ถูกฉีดเข้าไปในชั้นบอดี้ p

รูปที่ 4 ทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนและโฮลในขณะนำกระแส

          ถ้า ดูจากวงจรสมมูลในรูปที่ 6 (ค) จะหมายถึงขาเบสและอิมิตเตอร์ของทรานซิสเตอร์เอ็นพีเอ็น ได้รับแรงดันไบแอสตรงส่งผลให้ไทริสเตอร์ ซึ่งแฝงอยู่ในโครงสร้างของIGBT อยู่ในสภาวะแลตช์การนำกระแส ทำให้ที่ขาเกตไม่สามารถควบคุมปริมาณของกระแสเดรนนี้จะขึ้นอยู่กับตัวต้านทาน ที่นำมาต่อในวงจรภายนอก ถ้าหากมีการแลตช์เกิดขึ้นเป็นเวลานาน อาจทำให้ IGBT เสียหายได้ เพราะมีการสูญเสียกำลังงานเกินค่าพิกัดที่ทนได้

         ส่วนใหญ่หรือเป็นมาตรฐานคู่มือของผู้ผลิต มักจะมีการบอกค่ากระแสเดรนสูงสุด ที่สามารถไหลผ่าน IGBT ได้โดยยังไม่เกิดการแลตช์ขึ้น (Idm) แต่เนื่องจากกระแสเดรน ถูกกำหนดหรือควบคุมโดยตรง จากแรงดันระหว่างขาเกตกับซอร์ส บางครั้งคู่มือจึงบอกค่าแรงดันระหว่างเกตและซอร์สสูงสุด ที่จะไม่ทำให้เกิดการแลตช์แทนการบอกค่ากระแสเดรน สูงสุด (Idm)

        การแลตช์ที่กล่าวถึงข้างต้นเรียกว่าการแลตช์ใน โหมดสแตติก เพราะเกิดขึ้นเมื่อกระแสที่ไหลในสภาวะนำกระแส มีค่าเกิน Idm แต่ลักษณะการแลตช์นี้อาจเกิดขึ้นได้ เรียกว่าใน โหมดไดนามิก ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนการทำงาน จากสภาวะนำกระแสเข้าสู่สภาวะหยุดนำกระแสได้ด้วย บางครั้งการแลตช์นี้อาจเกิดขึ้นได้แม้ว่ากระแสเดรน ขณะนำกระแส ยังมีค่าต่ำกว่าค่า Idm ก็ตามทั้งนี้เพราะเมื่อ IGBT เริ่มหยุดนำกระแส กระแสเดรนจะตกลงอย่างรวดเร็วรอยต่อ J2 จะต้องรับแรงดันย้อนกลับที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน

         ผล ที่เกิดขึ้นจะทำให้บริเวณปลอดพาหะขยายบริเวณชั้นบอดี้ P โดยเฉพาะจะขยายบริเวณ n- มากกว่า เพราะมีความหนาแน่นของการโด๊ปต่ำกว่า การขยายบริเวณปลอดพาหะอย่างรวดเร็ว จะทำให้โฮลที่ค้างอยู่ในบริเวณ n- ขณะนำกระแสและยังไม่ได้รวมกับอิเล็กตรอนหลุดรอดจากการขัดขวางของบริเวณรอย ต่อพาหะ เข้าไปสะสมอยู่ในบริเวณรอยต่อ J2 เป็นการเพิ่มกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานข้างเคียงให้สูงขึ้น ทำให้ไทริสเตอร์ภายใน IGBT เกิดการแลตช์ขึ้นได้ เมื่อเกิดการแลตช์ขึ้นแรงดันตกคร่อมขาซอร์สและเดรนขณะนำกระแส จะมีค่าต่ำกว่าระดับปกติ นอกจากนี้การแลตช์ยังสามารถเกิดขึ้นได้อีก ในขณะที่กระแสเดรนยังมีค่าต่ำกว่า Idm อยู่ได้เช่นกัน

การป้องกันการแลตช์

          การหลีกเลี่ยงการแลตช์ของ IGBT สามารถทำได้ทั้งผู้ผลิตและผู้ใช้งานเอง ผู้ผลิตอาจจะออกแบบโครงสร้างในส่วนบริเวณบอดี้ p ให้มีความต้านทานข้างเคียงค่าต่ำที่สุด เพื่อจะได้เพิ่มค่าของ Idm ให้มากที่สุด ซึ่งเป็นการลดโอกาศที่จะเกิดการแลตช์ลงได้

    

     วิธีแรกอาจทำได้โดยลดความกว้างของบริเวณซอร์ส n+ ลง นั่นคือลดค่า Ls ที่แสดงในรูปที่ 2 ลงนั่นเอง

   

รูปที่ 5 โครงสร้างที่ปรับปรุงเพื่อป้องกันการแลตช์ใน IGBT

          วิธี ที่สองเป็นการแบ่งระดับความหนาแน่นในการโด๊ปสารของบริเวณบอดี้ p ดังในรูปที่ 5 จะเห็นว่าบริเวณบอดี้ P ภายใต้เกตจะโด๊ปด้วยความหนาแน่นในระดับปกติ 1016 cm -3 และมีความหนาน้อยกว่าของบริเวณซอร์ส n+ แต่ส่วนออื่นที่เหลือของบริเวณบอดี้ p จะโด๊ปด้วยความหนาแน่นที่มากกว่าคือ 1019 cm -3 รวมถึงความหนาก็จะมากกว่า ด้วยการทำเช่นนี้จะทำให้เพิ่มความสารถในการนำกระแสให้สูงขึ้น เป็นการลดความต้านทานข้างเคียงให้น้อยลงได้ สำหรับผู้ใช้งานก็สามารถป้องกันการแลตช์ในโหมดสแตติกได้ โดยออกแบบไม่ให้กระแสที่ไหลในโหลดไหลเกินค่ากระแส Idm และป้องกันการแลตช์ในโหมดไดนามิกได้ โดยหน่วงเวลาขณะหยุดนำกระแสให้ยาวนานขึ้น เพื่อให้โฮลที่ยังค้างอยู่ใน บริเวณ n- มีเวลาพอที่จะรวมกับอิเล็กตรอน เป็นการลดกระแสที่ไหลผ่านความต้านทานข้างเคียงให้น้อยลงได้ การหน่วงเวลาขณะหยุดนำกระแสให้ยาวนานขึ้น ทำได้โดยเพิ่มความต้านทานภายนอกอนุกรมเข้ากับขาเกตของ IGBT

 

 วงจรสมมูลของ IGBT

รูปที่ 6   (ก) แสดงโครงสร้างที่มีทรานซิสเตอร์และมอสเฟตแฝงอยู่ภายใน

(ข) วงจรสมมูลสำหรับการทำงานสภาพปกติของ IGBT

        (ค) วงจรสมมูลที่แสดงส่วนของไทริสเตอร์ที่แฝงอยู่ใน IGBT

          วงจรสมมูลของ IGBT แสดงไว้ในรูปที่ 6 ซึ่งในรูปที่ 6 (ก) นั้นจะเห็นว่าในบริเวณบอดี้ p ชั้นบริเวณ n- และชั้นอินเจ็กติ้ง p+ จะคล้ายกับทรานซิสเตอร์ชนิดพีเอ็นพี โดยแทนได้ด้วยขาคอลเล็กเตอร์, เบส และอิมิตเตอร์ ตามลำดับ และบริเวณภายใต้เกตก็จะแทนได้ด้วยมอสเฟตซึ่งจะมีความต้านทานบริเวณ n- เชื่อมขาเบส ของทรานซิสเตอร์พีเอ็นพีเข้ากับขาเดรนของมอสเฟต ซึ่งเมื่อเขียนวงจรสมมูลออกมาจะได้วงจรดังรูปที่ 6 (ข) 

          จาก รูปที่ 6 (ข) จะเห็นว่าเป็นวงจรดาร์ลิงตัน โดยมีมอสเฟตเป็นตัวขับทรานซิสเตอร์พีเอ็นพี แต่มีจุดพิเศษที่แตกต่างจากวงจรทั่วไป คือกระแสเดรนส่วนใหญ่จะไหลจากอิมิตเตอร์ มายังเบส ผ่านความต้านทานบริเวณลอยเลื่อน และผ่านขาเดรนมายังคอลเล็กเตอร์และขาซอร์สสำหรับวงจรสมมูลในรูปที่ 6 (ค) จะแสดงให้เห็นว่าภายใน IGBT มีไทริสเตอร์แฝงอยู่ด้วย โดยดูได้จาก การทีèทรานซิสเตอร์เอ็นพีเอ็นและพีเอ็นพีต่อเข้าด้วยกันในลักษณะที่มีการ ป้อนกลับ ทำให้เห็นได้ชัดถึงเหตุ ที่ทำให้เกิดการแลตช์ของ IGBT

       โดยถ้ากระแสส่วนน้อยที่ไหลผ่านจากอิมิตเตอร์มายังคอลเล็กเตอร์ของทรานซิสเตอร์ของทรานซิสเตอร์พีเอ็นพี ผ่านความต้านทานข้างเคียงแล้วทำให้เกิดแรงดันตกคร่อม ความต้านทานสูงกว่า 0.7 โวลต์ ทรานซิสเตอร์เอ็นพีเอ็นจะนำกระแส ส่งผลให้เกิดการแลตช์ขึ้นใน IGBT สำหรับแรงดันตกคร่อมขาเดรนและซอร์ส ของ IGBT ขณะนำกระแส ( Vds(on)) สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

( Vds(on)) = Vj1 + Adrift - IdRchannel ….. (1)

       เมื่อ Vj1 เป็นแรงดันไบแอสตรงที่ตรงคร่อมรอยต่อพีเอ็น จึงมีค่าค่อนข้างจะคงที่ จะมีการเปลี่ยนแปลงบ้างก็เพียงเล็กน้อยเพราะมีความสัมพันธ์โดยตรงในลักษณะเอ็กซ์โปแนเชียล กับกระแส ทำให้มีค่าอยู่ระหว่าง 0.7 - 1 โวลต์

       Adrift เป็นแรงดันที่ตกคร่อมความต้านทานบริเวณเลื่อน ซึ่งความต้านทานนี้มีค่าค่อนข้างคงที่ แต่เมื่อเทียบกับค่าแรงดันในมอสเฟตแล้วจะมีค่าน้อยกว่าเพราะผลของการมอดูเลต สภาพนำที่เกิดขึ้นใน IGBT

      Rchannel เป็นค่าความต้านทานในย่าน 1 - 1,000 โอห์ม มีค่าค่อนข้างจะคงที่ (IdRchannel) เป็นแรงดันตกคร่อมมอสเฟต

       ดัง นั้นจึงพอจะสรุปได้ว่า ( Vds(on)) จะมีค่าสูงมากขึ้นตามค่ากระแสเดรนที่สูงขึ้น โดยทั่วไป IGBT จะสามารถทำงานได้ในอุณหภูมิรอยต่อสูงสุดถึง 150 องศาเซลเซียส และผลของการเปลี่ยนอุณหภูมิห้อง ไปถึงค่าสูงสุดนี้ จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่า ( Vds(on)) เพียงเล็กน้อยเท่านั้น เพราะ IGBT มีค่า ( Vds(on)) เป็นผลรวมระหว่างแรงดันตกคร่อมมอสเฟตที่มีสัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิเป็นบวก (หมายถึงอุณหภูมิสูงขึ้นแรงดันตกคร่อมก็จะสูงขึ้นตาม) กับแรงดันตกคร่อมความต้านทาน บริเวณลอยเลื่อยที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นลบ

 

 ลักษณะการสวิตช์

รูปที่ 7    (ก) ลักษณะของกระและแรงดันขณะนำกระแส

                      (ข) ลักษณะของกระแสและแรงดันขณะหยุดนำกระแส

      ลักษณะของสัญญาณกระแสและแรงดันในช่วงเวลาที่เกิดการนำกระแสและหยุดนำกระแส แสดงไว้ในรูปที่ 7 โดยช่วงเวลาในการนำกระแสของ IGBT แสดงไว้ในรูปที่ 7 (ก) ซึ่งจะมีลักษณะคล้ายกับการนำกระแสของมอสเฟต คือจะมีเวลาก่อนการนำกระแส (Td(on) นับตั้งแต่เวลาที่แรงดันระหว่างเกตกับซอร์สอยู่ในช่วง Vgg- จนถึง ( Vgs(th)) ความจริงแล้วการป้อนแรงดันนี้จะมีลักษณะการเปลี่ยนแปลงทันทีทันใดจากค่า Vgg- เป็น Vgg+ แต่กลับมีลักษณะเป็นเอ็กซ์โปเนนเชียล

        เหตุที่เป็นเช่นนั้นเนื่องจากผลการชาร์จประจุของตัวเก็บประจุระหว่างเกตกับซอร์สและเกตกับเดรนภายใน IGBT แรงดันที่ขาเดรนจะยังคงอยู่ในช่วงเวลาขาขึ้น (Tri) หรือในช่วงเวลาที่กระแสเดรนยังไม่ถึงค่ากระแสทำงาน (Io) หลังจากนั้นกระแสเดรนก็จะคงที่ แต่แรงดันจะตกลงสู่ค่า ( Vds(on)) โดยแบ่งช่วงเวลาลงเป็นสองช่วง คือช่วง Tfi1 เป็นช่วงที่ทำงานอยู่ในย่านความต้านทานสูง (Rchannel) ส่วน Tfv2 ช่วงที่ทำงานอยู่ในย่านความต้านทานต่ำ (Rchannel)

         ในรูปที่ 7 (ข) จะเป็นรูปแสดงลักษณะของกระแสและแรงดันในช่วงเวลาที่ IGBT หยุดนำกระแส จะเห็นว่ากระแสเดรนจะยังคงที่อยู่ตลอดช่วงเวลาที่แรงดันขาเดรนเพิ่มขึ้น และมีช่วงเวลาลง ของกระแสเดรนที่แตกต่างชัดเจนสองช่วง โดยช่วงแรก Tfi1 จะเป็นช่วงหยุดนำกระแสของมอสเฟตภายใน IGBT และช่วง Tfi2 จะเป็นช่วงหยุดนำกระแสของทรานซิสเตอร์พีเอ็นพี ซึ่งจะช้ากว่ามอสเฟต ทำให้ช่วงเวลานี้นานกว่าช่วงแรก และมีการสูญเสียกำลังงานมากในช่วงนี้

พื้นที่การทำงานี้ที่ปลอดภัย

              IGBT มีพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยทั้งในระหว่างนำกระแสและหยุดนำกระแส โดยมีพื้นที่การทำงานปลอดภัยในขณะไบแอสของ (forward bias safe operating area : FBSOA) ที่กว้างมาก เปรียบเทียบได้กับเกือบเป็นสี่เหลี่ยมสำหรับเวลาในการสวิตช์ที่สั้น ๆ แต่จะแคบลงเมื่อเวลาในการสวิตช์ยาวนานขึ้น ซึ่งถ้าเทียบกับเพาเวอร์มอสเฟตแล้ว IGBT จะทำงานได้ในช่วงพื้นที่ที่กว้างกว่าเมื่อเวลาในการสวิตช์เท่ากัน

   

                          

    รูปที่ 8 (ก) พื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยในสภาวะไบแอสตรง

                  (ข) พื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยในสภาวะไบแอสกลับ

           ในช่วงระหว่างเริ่มนำกระแสและขณะที่นำกระแสแล้ว จุดการทำงานของ IGBT จะต้องมีขนาดแรงดันและกระแสที่ขาเดรนอยู่ในพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยในช่วงไบแอสตรง เสมอ ดังแสดงใน รูปที่ 8 (ก) หากไม่เช่นนั้นแล้วจะทำให้เกิดการเสียหายขึ้นที่ IGBT จากรูปพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยของ IGBT นี้ จะแสดงถึงขีดจำกัดของกระแสเดรน อัตราทนแรงดันไหลตรง และอุณหภูมิรอยต่อของ IGBT ตามลำดับ

          สำหรับพื้นที่การทำงานปลอดภัยในช่วงไบแอสกลับ (reverse bias safe operating area : RBSOA) จะแตกต่างจากค่าจำกัดของค่าอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดัน ที่ขาเดรนต่อเวลา (DVds/DT) ซึ่งจะเกิดขึ้นในช่วงระหว่างหยุดนำกระแส แทนขีดจำกัดทางด้านอุณหภูมิรอยต่อ และ จะมีพื้นที่แคบลงถ้า DVds/DT มีค่าสูงมากขึ้น ส่วนเหตุผลที่ถูกจำกัดโดยค่านี้เพราะไม่ต้องการให้เกิดการแลตช์ขึ้นที่ IGBT~

           ค่า DVds/DT นี้จะมีผลโดยตรงกับช่วงเวลาหยุดนำกระแส หมายความว่า ถ้ามีอัตราการเปลี่ยนแปลงเร็วจะทำให้ช่วงเวลาหยุดนำกระแสน้อย แต่ก็ยังถือว่าโชคดีที่ขีดจำกัด DVds/DT ของ IGBT มีค่าสูงมาก เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ไทริสเตอร์ตัวอื่น ๆ ดังนั้นความจำเป็น ในการใช้วงจรสนับเบอร์เพื่อป้องกันการแลตช์ก็ไม่มีความจำเป็นต้องใช้ และการควบคุมค่า DVds/DT ที่เกิดขึ้นยังทำได้ง่ายขึ้นด้วยการออกแบบวงจรขับเกตที่มีค่าความต้านทานที่ต่อกับขาเกตและค่า Vgg- ที่เหมาะสม

         จากที่กล่าว คงพอจะทราบถึงแนวทางในการนำเอา IGBT ไปใช้งานได้ถูกต้องและมีประสิทธิภาพ เพราะถ้าไม่อย่างนั้นแล้วหากนำไปใช้งานแบบสุ่ม ๆ จะเป็นผลเสียมากกว่าผลดี แล้วก็ไปโทษเทคโนโลยีใหม่และที่อ่านจบไปนั้นเป็นกุญแจสู่ความแปลกใหม่ของอุปกรณ์ และผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ คงจะมีตามออกมาจากผลของเทคโนโลยีอันนี้