Platformă experimentală pentru studiul tranzistorului IGBT

I. Introducere

Această lucrare de licenţa prezintă ,in detaliu, studiul tranzistorului IRG4BC20UD. Ca obiect principal de cercetare am studiat funcţionarea tranzistorului, comutaţia acestuia pe sarcină inductivă si comanda în grila cu cupaj direct. Am folosit amplificatoare operaţionale si circuite logice CMOS. Pentru că in electronica de putere se lucrează cu tensiuni, frecvenţe si curenti de valoare mare un rol important il au subcircuitele de protecţie. Rolul acestora este de a proteja anumite componente de varfuri de tensiune, frecvenţa ,curenţi, evitandu-se astfel distrugeri ireversibile, care implica anumite costuri.

Fiecare circuit a fost testat cu ajutorul programului de simulări PSpice unde am putut foarte bine sa vizualizăm, reacţia anumitor componente electronice in funcţie de parametri aplicaţi.

La finalul cercetarii am proiectat si realizat practic o platformă experimentală, pentru a putea studia si practic comutaţia tranzistorului IGBT. De asemenea am vizualizat cum reacţinează sistemele de protecţie, la scurtcircuit si supracurent.

Electronica de putere asigură, prin intermediul elementelor semiconductoare funcţionând în comutaţie, adaptarea, atât a formei energiei electrice furnizate de sursă, cât şi a parametrilor acesteia, în funcţie de necesităţile sarcinii.

Partea de putere, convertorul, conectează intre producatorul de energie electrica şi consumbineator doua sau mai multe sisteme electrice potrivind parametrii lor electrici in vederea conectarii lor intre ei.

Fig. 1. Schema bloc a uni sistem electronic de putere

Electronica de control acţionează asupra electronicii de putere în sensul minimizării erorii (diferenţei) dintre valorile de referinţă şi cele de reacţie

Pe lângă funcţia de transfer de energie electronica de putere mai realizează şi o funcţie de protecţie a dispozitivelor electronice de putere care participă la acest transfer. Compartimentul de protecţie conţine senzori, circuite inteligente pentru luarea deciziilor şi elemente de execuţie pentru realizarea protecţiei propriu-zise.

În cadrul unui sistem de reglare automată electronica de putere îndeplineşte funcţia de element de execuţie.

II. STUDIUL TRANZISTORUL BIPOLAR CU GRILĂ IZOLATĂ

II.1. Structura, simbolul şi schema electrică echivalentă a tranzistorului bipolar cu grilă izolată:

Tranzistorul bipolar cu grilă izolată este un dispozitiv cu patru straturi, complet comandabil, cu comandă în tensiune şi conducţie bipolară.

În literatura tehnică acest dispozitiv electronic este codificat cu iniţialele cuvintelor englezeşti “Insulated Gate Bipolar Transistor”. Tranzistorul IGBT se obţine dintr-un tranzistor MOS căruia i se ataşează un strat P+ sub stratul N-. Prin această modificare i se conferă dispozitivului un caracter bipolar. Stratul P nou introdus va injecta goluri în regiunea N-. Va rezulta astfel o cădere de tensiune pe tranzistorul aflat în starea de conducţie mult mai redusă comparativ cu tranzistorul MOS. În principiu, un tranzistor IGBT, este o combinaţie dintre un tranzistor MOS pe partea de intrare şi unul bipolar cu joncţiune pe partea de ieşire.

In fig.2 este prezentata structura aşa numitului tranzistor “IGBT simetric”, sau, “NPT-IGBT” (non punch-through). Urmărind schema electrică echivalentă (fig.2.c) se remarcă existenţa unei structuri de tip tiristor (latch) caracteristică unui dispozitiv cu patru straturi, realizată prin conexiunea colector-bază a celor două tranzistoare bipolare cu joncţiune TNPN şi TPNP, alături de o structură de tip MOS. Pentru a putea controla curentul principal prin dispozitiv utilizând grila structura ce corespunde tiristorului trebuie dezactivată.

Fig. 2. Tranzistorul bipolar cu grilă izolată simetric.(NPT-IGBT) [1]:

a) structura; b) simbolul; c) schema electrică echivalentă

Depunerea metalică a emitorului exterior (fig.2.a) realizează un scurtcircuit între straturile P şi N+ respectiv, între baza şi emitorul tranzistorului NPN.

Prin această operaţie se reduce factorul de aplificare în curent NPN al tranzistorului NPN în ideea menţinerii inegalităţii :

(1)

condiţie care, previne agăţarea structurii de tip tiristor şi implicit, pierderea controlului prin grilă al dispozitivului. Dacă curentul care curge prin rezistenţa Rbe este destul de mare există posibilitatea ca, tensiunea ce cade pe această rezistenţă să polarizeze direct joncţiunea bază-emitor a tranzistorului NPN.