IGBT 특성과 동작원리

1. IGBT 구조

1) 내부 구조

절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT- nsulated-gate bipolar transistor)는 전자 제품 영역에서 전자 스위치의 역할을 효과적으로 가정하는 최고의 3단자 전력 반도체입니다.  I 향상된 효율성과 신속한 스위칭 기능을 결합하려는 두 가지 기능을 통합되어 있고 P-N-P-N 구성으로 적절하게 배열된 4개의 교대 레이어로 구성된 영리한 아키텍처가 있으며, 이는 뛰어난 성능을 집합적으로 조정합니다. IGBT는 금속-산화물-반도체(MOS) 게이트 구조이며, 이 게이트 구조는 설계에 복잡하게 얽혀 있습니다.

 

IGBT의 등가 회로

IGBT는 코어 내에 자리 잡은 3개의 PN 접합을 특징으로 하는 4계층 PNPN 구성을 채택합니다. 이러한 계층은 기능을 정의하는 세 개의 터미널, 즉 Gate(G), Collector(C) 및 Emitter(E)를 통해 나타납니다.

 

IGBT 구조 다이어그램

 

 

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2) 외부 구조

아래 그림은 IGBT 모듈의 외관과 등가 회로는 그림에 나와 있습니다. 이 모듈의 길이, 너비 및 높이는 25cmx8.9cmx3.8cm입니다. 이 모듈에는 종종 하프 브리지 모듈이라고 하는 두 개의 IGBT가 포함되어 있습니다. 각 IGBT의 정격 전압과 전류는 각각 1.7kV 및 1.4kA입니다.

 

 

FF1400R17IP4

 

 

8, 9, 10, 11 및 12는 전원 회로에 연결해야 하는 전원 단자입니다.

1, 2, 3, 4 및 5는 게이트 드라이브 회로에 연결해야 하는 보조 제어 단자입니다.

6 및 7은 온도 감지 또는 과열 보호를 위한 NTC 서미스터입니다.

 

 

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2. IGBT 특성

IGBT의 정적 특성 곡선은 주로 전달 특성 곡선 및 출력 특성 곡선을 포함한 고유한 특성을 보여줍니다. 이 두 가지는 서로 다른 작동 조건에서 IGBT의 성능과 동작을 간략하게 설명합니다.

 

 

1) 전달 특성 곡선

 

전달 특성 곡선은 출력 컬렉터 전류 IC와 게이트-이미터 전압 VGE 사이의 관계를 설명합니다. 이 특성을 MOSFET의 작동 원리와 비교하여 이해를 심화시킬 수 있습니다. 게이트-소스 전압 VGS가 0일 때, 이는 소스 S와 드레인 D 사이에 두 개의 백투백 pn 접합을 형성하는 것과 동일하며, 이는 드레인-소스 전압 VDS가 얼마나 크거나 극성이 바이어스 상태인지에 관계없이 역방향으로 적어도 하나의 pn 접합을 만들어 전도 채널이 생성되지 않도록, 장치를 켤 수 없으며 드레인 소스 전류 ID가 0에 매우 가깝습니다.

 

0<VGS<VGS(th)일 때 게이트 전압이 증가함에 따라 게이트 산화물의 하부 표면에 전기장이 형성되어 소량의 전자를 끌어당기지만 전자의 수가 제한되어 있기 때문에 효과적인 전도성 채널을 형성할 수 없으며 드레인-소스 전류 ID는 약 0으로 유지됩니다.

 

VGS≥VGS(th)일 때 전기장이 향상되어 더 많은 전자를 끌어당기고 기판의 P 영역을 반전시켜 전도성 채널을 형성하여 드레인 전극과 소스 전극 사이의 저항을 줄입니다. 이때 드레인-소스 전압이 인가되면 MOSFET은 전도 상태로 진입합니다. ID는 대부분의 드레인-소스 전류 범위에서 VGS와 선형입니다.

 

IGBT에서 VGE는 MOSFET의 VGS와 유사하고 IC는 MOSFET의 ID와 유사합니다. VGE≥VGE(th)일 때 IGBT에 전도성 채널이 형성되어 장치가 켜집니다.

 

 

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2) 출력 특성 곡선

출력 특성 곡선은 서로 다른 게이트-이미터 전압 VGE에서 드레인-소스 전류 IC와 컬렉터-이미터 전압 VCE 간의 관계를 설명합니다. IGBT는 MOSFET과 PNP 구조의 조합과 동일할 수 있기 때문에 출력 특성은 MOSFET과 밀접한 관련이 있습니다. 

 

VDS가 작고 양수인 경우 VDS가 증가함에 따라 ID가 점차 증가합니다. 이 영역에서는 MOSFET에서 가변 저항 영역이라고 하고 IGBT에서는 비포화 영역이라고 합니다. VDS가 계속 증가함에 따라 ID-VDS 곡선의 기울기는 점차 감소하고 0에 가까워집니다. MOSFET에서는 이를 정전류 영역이라고 하고 IGBT에서는 포화 영역이라고 합니다. VDS가 애벌랜치 항복으로 증가하면 MOSFET 또는 IGBT에 관계없이 이 영역을 항복 영역이라고 합니다.

 

 

 

IGBT에서 VGE는 MOSFET의 VGS와 유사하고, IC는 MOSFET의 ID와 유사하며, VCE는 MOSFET의 VDS와 유사합니다. 선형 영역과 포화 영역 사이에는 MOSFET과 IGBT 사이에 몇 가지 차이점이 있습니다. 이는 주로 IGBT 전도의 초기 단계에서 이미터 P+/N- 접합을 제로 바이어스에서 순방향 바이어스로 변경하려면 약 0.7V의 전압 강하가 필요하기 때문입니다.

 

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3. IGBT 작동 원리

IGBT는 게이트 터미널을 활성화 또는 비활성화하여 켜짐 또는 꺼짐 상태를 달성하는 방식으로 작동합니다.

양의 입력 전압이 게이트에 가해지면 구동 회로가 켜진 상태로 유지되어 이미터가 켜집니다. 반대로 IGBT의 게이트 전압이 0이거나 약간 음수이면 회로가 꺼집니다.

 

IGBT는 BJT와 MOS 튜브의 기능을 동시에 가질 수 있으며 그 이득은 출력 신호와 제어 입력 신호 간의 비율에 반영됩니다.

기존 BJT에서 이득의 양(일반적으로 베타 또는 β이라고 함)은 입력 전류에 대한 출력 전류의 비율과 거의 같습니다. MOS 튜브의 경우 게이트 단자가 주 채널을 전달 전류로부터 격리하기 때문에 입력 전류가 없습니다. IGBT의 이득은 출력 전류의 변화를 입력 전압의 변화로 나누어 결정됩니다.

 

N 채널 IGBT는 컬렉터가 이미 터에 대해 양의 전위에있을 때 수행됩니다. 동시에 게이트는 이미 터에 대해 충분한 양의 전위 (VGET보다 큼)로 유지되고, 반전 층이 게이트 바로 아래에 형성되고, 채널이 형성되고, 전류는 컬렉터에서 이미 터로 흐릅니다.

 

 

 

 

 

IGBT에서 컬렉터 전류 Ic는 Ie와 Ih의 두 부분으로 구성됩니다. Ie는 주입층, 드리프트층을 통해 전자를 주입하고 최종적으로 콜렉터에서 이미터로 흐르는 채널을 형성하는 전류입니다. Ih는 Q1 및 벌크 저항 Rb를 통해 컬렉터에서 이미터로 흐르는 정공 전류입니다. 따라서, Ic≈ Ie로 대략적으로 간주될 수 있다.

 

IGBT에는 IGBT의 "래치 업" 현상이라는 특별한 현상도 있습니다. 이것은 컬렉터 전류가 특정 임계값(ICE)을 초과할 때 발생합니다. 이 경우 기생 사이리스터가 잠기고 게이트 단자가 컬렉터 전류의 제어를 잃게 되며 게이트 전위가 VGET 이하로 떨어지더라도 IGBT를 끌 수 없습니다. 이때 IGBT를 끄기 위해서는 사이리스터를 이용한 강제 정류와 같은 일반적인 정류 회로를 채용할 필요가 있다. 적시에 장치를 끄지 않으면 장치가 손상될 수 있습니다.

 

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