Đo đặc tính IGBT: điện áp bão hoà Vce(sat), dòng đuôi và tổn hao đóng cắt

IGBT dẫn dòng lớn với sụt áp thấp nhờ dẫn điện bằng cả điện tử lẫn lỗ trống, và chính cơ chế đó sinh ra những đặc tính MOSFET không có. Áp nguyên quy trình đo MOSFET sang IGBT thường dẫn tới một trong hai kết quả: số liệu tĩnh lệch vì linh kiện tự nung trong lúc đo, hoặc tổn hao ngắt tính ra thấp hơn thực tế vì bỏ sót phần dòng đuôi.

Bài này đi qua ba nhóm phép đo đặc tính IGBT quan trọng nhất: điện áp bão hoà V_CE(sat) cùng các thông số tĩnh đi kèm, dòng đuôi khi ngắt, và cách tiêu chuẩn định nghĩa tổn hao đóng cắt.

Đo đặc tính IGBT khác MOSFET ở điểm nào

MOSFET là linh kiện đơn cực: dòng chỉ do một loại hạt tải mang, nên khi cổng khoá, dòng tắt gần như ngay lập tức. IGBT thì lưỡng cực. Khi dẫn, vùng trôi N⁻ được bơm đầy hạt tải thiểu số, nhờ đó điện trở vùng trôi giảm mạnh và sụt áp khi dẫn dòng lớn thấp hơn MOSFET cùng điện áp định mức.

Cái giá phải trả xuất hiện lúc ngắt. Theo tài liệu kỹ thuật của Toshiba, sau khi V_CE đã tăng lên, các hạt tải thiểu số còn tích trữ trong vùng trôi N⁻ tiếp tục tái hợp và duy trì dòng collector thêm một khoảng thời gian. Đó là dòng đuôi, và nó là một phần lớn của tổn hao đóng cắt. Nhà sản xuất có thể rút ngắn dòng đuôi bằng cách giảm thời gian sống của hạt tải hoặc giảm mức bơm lỗ trống từ collector, nhưng khi đó điện áp dẫn lại tăng. Vì sự đánh đổi này, không thể đánh giá một IGBT chỉ qua một thông số; phải đo cả trạng thái tĩnh lẫn trạng thái động.

Điện áp bão hoà Vce(sat) và các thông số tĩnh

Điện áp bão hoà Vce(sat) là sụt áp giữa collector và emitter khi IGBT dẫn dòng danh định. Datasheet thường ghi nó ở V_GE = 15 V và ở vài nhiệt độ mối nối. Nó quyết định tổn hao dẫn, thành phần tổn hao lớn nhất ở tần số đóng cắt thấp.

Hệ số nhiệt và bài toán ghép song song

Điều quan trọng không kém giá trị tuyệt đối là cách V_CE(sat) thay đổi theo nhiệt độ. Ghi chú ứng dụng của Infineon cho thấy một IGBT TRENCHSTOP 5 dòng 40 A có hệ số nhiệt dương từ 10 A trở lên. Hệ số dương giúp ghép song song dễ hơn: linh kiện nào nóng hơn sẽ có sụt áp lớn hơn, tự nhường dòng cho linh kiện bên cạnh. Ngược lại, IGBT kiểu PT truyền thống có hệ số nhiệt âm ngay cả ở dòng danh định, nên khi ghép song song, linh kiện nóng hơn lại ôm thêm dòng và càng nóng hơn. Muốn biết linh kiện cụ thể của mình thuộc loại nào, phải đo V_CE(sat) ở nhiều nhiệt độ chứ không chỉ ở 25 °C.

Đo xung để tránh tự nung

Đo V_CE(sat) ở hàng trăm ampe bằng dòng một chiều là tự làm hỏng phép đo: công suất tiêu tán làm mối nối nóng lên ngay trong lúc đo, và con số đọc được là của một nhiệt độ không ai kiểm soát. Cách làm đúng là đo bằng xung rất ngắn với chu kỳ làm việc thấp. Trên máy phân tích B1505A, khối dòng siêu cao UHCU ở dải 500 A cho độ rộng xung từ 10 µs tới 1 ms với chu kỳ làm việc không quá 0,4%; ở dải 1500 A, độ rộng xung từ 10 µs tới 500 µs với chu kỳ không quá 0,1%.

Điện áp ngưỡng và dòng rò

Điện áp ngưỡng V_GE(th) là điện áp cổng tại đó dòng collector bắt đầu chảy. Nó giảm khi nhiệt độ tăng: với linh kiện ví dụ trong tài liệu của Infineon, khoảng 5,4 V ở 25 °C và còn khoảng 4,5 V ở 150 °C.

Hai dòng rò I_CES (collector-emitter) và I_GES (cổng-emitter) cho biết chất lượng lớp cách điện và mối nối. I_CES liên quan tới điện áp đánh thủng và gây tổn hao ở trạng thái khoá; các datasheet Infineon mới chỉ ghi I_CES ở 175 °C dưới dạng giá trị điển hình. Đo các dòng này đòi hỏi độ phân giải dòng rất cao ở điện áp cao, một yêu cầu hoàn toàn trái ngược với phép đo V_CE(sat).

Dòng đuôi và tổn hao đóng cắt theo IEC 60747-9

Tổn hao đóng cắt được biểu diễn bằng năng lượng mỗi lần đóng E_on và mỗi lần ngắt E_off, tính bằng tích phân của v_CE · i_C theo thời gian. Câu hỏi then chốt là tích phân từ đâu tới đâu, và tiêu chuẩn IEC 60747-9 trả lời câu hỏi đó. Theo ghi chú ứng dụng của Semikron Danfoss dẫn các mục 6.3.11 và 6.3.17 của tiêu chuẩn, E_on tính từ lúc V_GE đạt 10% giá trị mở cho tới khi v_CE giảm còn 2% V_CC; E_off tính từ lúc V_GE giảm còn 90% giá trị mở cho tới khi i_C giảm còn 2% I_C. Phần mềm của máy thử xung kép Keysight PD1500A cũng dùng đúng cửa sổ E_off này.

Dòng đuôi là lý do điểm kết thúc 2% I_C quan trọng. Phần đuôi kéo dài trong khi v_CE đã ở mức điện áp nguồn, nên dù dòng nhỏ, tích v_CE · i_C vẫn đáng kể. Dừng tích phân sớm hơn là bỏ sót đúng phần tổn hao đặc trưng của IGBT.

Bẫy khi so datasheet giữa các hãng

Không phải hãng nào cũng áp dụng đúng từng con số. Infineon ghi rõ họ tính E_on từ 10% V_GE tới 3% V_CE, và E_off từ 90% V_GE tới 1% I_CM, vì dao động chồng lên dòng đuôi khiến điểm 2% khó xác định. Hai datasheet có thể ghi E_off gần bằng nhau trong khi tổn hao thực tế khác nhau, chỉ vì cửa sổ tích phân khác nhau. Khi so sánh để chọn linh kiện, hãy đọc điều kiện đo trước khi đọc con số.

Một chi tiết nữa: E_on đo bằng phương pháp xung kép không phải tổn hao “thuần” của IGBT. Trong mạch thử, IGBT phía dưới là linh kiện cần đo còn diode song song ngược của IGBT phía trên làm nhiệm vụ dẫn dòng tự do. Năng lượng phục hồi ngược của diode đó cộng thẳng vào E_on đo được. Đổi diode là đổi E_on, dù IGBT vẫn là con cũ.

Khi nào cần đo động bằng xung kép

Đo tĩnh cho biết linh kiện ở trạng thái xác lập. Để có E_on, E_off và dạng dòng đuôi thật trong mạch, phương pháp chuẩn là thử xung kép, đã được phân tích trong bài đo xung kép cho linh kiện công suất. Máy PD1500A của Keysight thử linh kiện tới 200 A và 1200 V DC, phần mềm trích thông số IGBT theo IEC 60747-9; với mô-đun công suất, PD1550A nâng giới hạn lên 1500 V và 3000 A.

Chọn máy phân tích Keysight để đo đặc tính IGBT

Keysight B1505A là máy phân tích linh kiện công suất kiêm vẽ đặc tuyến, đo tới 10 kV và 1500 A với khả năng đo dòng dưới pA, có 10 khe cắm để ghép các khối nguồn-đo chuyên biệt. Khối HPSMU cho ±200 V / ±1 A với độ phân giải 10 fA, phù hợp đo dòng rò cổng; khối HVSMU cho ±3000 V / 4 mA hoặc ±1500 V / 8 mA để đo I_CES và điện áp đánh thủng; khối UHCU cho dòng xung 500 A hoặc 1500 A để đo V_CE(sat). Máy đo được C_iss, C_oss, C_rss ở điện áp phân cực tới 3000 V, điện tích cổng của IGBT đóng gói lẫn trên wafer, và hỗ trợ đo nhiệt tự động từ −50 tới +250 °C.

Keysight B1506A hướng tới người thiết kế mạch hơn là người phát triển linh kiện. Máy đạt 1500 A và 3 kV, đo được Ron, điện áp đánh thủng, dòng rò, V_th và V_sat, điện dung ở điện áp phân cực cao, điện trở cổng R_g và đường cong Q_g cho IGBT. Điểm đáng giá là chức năng đánh giá tổn hao công suất gồm tổn hao dẫn, tổn hao lái cổng và tổn hao đóng cắt, cùng dải nhiệt −50 tới +250 °C. Các gói H20, H50 và H70 tương ứng dòng 20 A, 500 A và 1500 A, còn H21, H51 và H71 bổ sung đo điện dung và điện tích cổng.

Khi cần độ nhạy dòng cực cao, ví dụ đo dòng rò cổng rất nhỏ hoặc đặc tính ngưỡng trên wafer ở giai đoạn phát triển công nghệ, máy phân tích thông số bán dẫn Keysight B1500A với 10 khe cắm và độ phân giải 0,1 fA là công cụ bổ sung phù hợp.

Kết luận

Muốn đo đặc tính IGBT cho ra số liệu dùng được, hãy xử lý riêng từng vùng làm việc: đo V_CE(sat) bằng xung ngắn và ở nhiều nhiệt độ để thấy hệ số nhiệt thật, đo dòng rò bằng SMU có độ phân giải cao ở điện áp cao, và khi tính tổn hao đóng cắt, ghi rõ cửa sổ tích phân đã dùng để phần dòng đuôi không bị cắt mất. So sánh hai linh kiện chỉ công bằng khi điều kiện đo giống nhau.

Độ tin cậy của mọi phép đo đó bắt đầu từ thiết bị còn trong dung sai. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 và hỗ trợ hiệu chuẩn máy phân tích linh kiện, bộ nguồn-đo và thiết bị đo công suất. Để được tư vấn cấu hình đo IGBT hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.