Bu çalışmada “MOS + PiN diyot” eşdeğer devre modeli kullanılarak IGBT elemanına ait doğru akım-gerilim karakteristikleri elde edildi. Eşdeğer devrede yer alan ve IGBT’nin düşük katkılı taban bölgesini içeren PiN diyot elemanına ait akım-gerilim karakteristiğinin elde edilebilmesi için 2-boyutlu bir benzeşim programı geliştirildi.
Yarıiletken iletim denklemleri IGBT elemanının sadece düşük katkılı taban bölgesinde çözülmek yerine, eşdeğer devrede IGBT’nin taban bölgesini içeren elemanın tam benzeşimi ve MOS yapıyı tanımlayan analitik ifadeler kullanılarak sonuca gidildi. Elde edilen akım-gerilim karakteristiklerinin, eşdeğer bir IGBT yapısı için Kao (2005) tarafından elde edilen akım-gerilim karakteristikleri ile uyum içinde olduğu görülmüştür. Bu karakteristikler Şekil.7 ve Şekil.8’ de gösteriliyor.
Çalışmada p+n ve PiN diyot yapılarının geçici hal davranışları incelenmiştir. Bu amaçla bir program geliştirilmiş ve ileri-yönde kutuplanmış bir diyotun, bir direnç üzerinden geri-yönde kutuplanmaya anahtarlanması (reverse recovery) durumunda ortaya çıkan geçici-hal davranışları elde edilmiştir. Farklı taşıyıcı yaşam süreleri için elde edilen sonuçlar p+n diyot için Şekil.15 ve Şekil.16’da, PiN diyot için Şekil.17 ve Şekil.18’ de gösteriliyor.Taşıyıcı yaşam süresinin artması ile turn-off zamanının uzadığı görülmüştür. Ayrıca Şekil7.8’de gösterilen devrede yer alan Rr direncinin 30Ω, ve 50Ω gibi iki farklı direnç değeri için geçici-hal davranışları elde edilmiş ve sonuçlar Şekil.7.20 ile sunulmuştur.
Geçici-hal analizi için kullanılan elemanlar IGBT eşdeğer devre modellerinde bulunan elemanlar oldukları için bu elemanların benzeşim sonuçlarından elde edilen bilgiler IGBT elemanının davranışını yorumlamak için kullanılabilir. Örneğin p+n ve PiN diyotlarda taşıyıcı yaşam süresinin küçülmesine bağlı olarak turn-off zamanlarının kısalması IGBT’nin düşük katkılı baz bölgesindeki taşıyıcı yaşam süresinin küçültülmesi için ilave yöntemler uygulanmasının (elektron bombardımanı gibi) gerekçesini net olarak ortaya koyar.
Ayrıca Şekil.7.20 ile verilen eğrilerden de görüldüğü gibi Rr direnç değerinin küçülmesi ile turn-off zamanı da kısalmıştır. Buna, küçülen direnç değeri ile diyot üzerindeki kutuplama akımının artması neden olmaktadır. Yani daha büyük geri-kutuplama akımları daha hızlı bir turn-off sağlamaktadır.
Bu çalışmada IGBT elemanı yerine MOSFET+PiN diyotlu eşdeğer devre kullanılmıştı; daha sonra yapılabilecek çalışmalar için, MOSFET+PNP modeli yada parazitik tristörü de içeren modeller düşünülebilir. MOSFET+PiN veya diğer eşdeğer modeller kullanılarak IGBT elemanının turn-off ve/veya turn-on geçici-hal davranışları incelenebilir.
P+n diyot ve PiN diyot için farklı taşıyıcı yaşam süreleri kullanılarak elde edilen geçici-hal davranışları farklı sıcaklıklar ve farklı yarıiletken elemanlar için tekrarlanabilir.
Çalışma sırasında geliştirilen simülasyon programı, tanım ve ilk tahminler kısımlarında uygun değişiklikler yapıldıktan sonra, PNP veya NPN bipolar transistor yapıları veya başka yarıiletken düzen yapıları için kullanılabilir.
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ
Andersson, M. Kuivalainen, P. and Pohjonen, H., 1993, Circuit simulation models for MOS- gated power devices: Application to the simulation of an electronics lamp balast
circuit, Proc. Conf.-IEEE Applicat. Power Electron. Expo-APEC.
Baliga, B.J., Adler, M.S., Gray, V.P., Love, R.P. and Zommer, N., 1982, The insulated gate rectifier, in Int. Electron Devices Meeting, Abstr. 10-6, 264-267.
Baliga, B.J., Feb. 1985, Analysis of insulated gate transistor turn-off characteristics, IEEE Electron Devices Lett., vol. EDL-6, 74-77.
Blaabjerg, F., Pedersen, F.K., Sigurjonsson, S. and Elkjaeer, A., 1996, Extended model of power losses in hard-switched IGBT-inverters, in Proc. Conf. Rec.-IAS Annu.
Meeting (IEEE Ind. Applicat. Soc.), vol. 3, 1454-1463.
Bose, B.K., Evaluation of modern power semiconductor devices and future trends of converters industry applications, IEEE Trans. on, v. 28, Issue 2, March-April 1992, 403-417
Chibante, R., Araujo, A. and Carvalho, A., 2003, A New Physics Based SPICE Model for NPT IGBTs,
Clemente, S.M. and Dapkus, D.A., Aug. 1993, IGBT models account for switching and conduction losses, Power Conv. Intell. Motion, vol. 19, no. 8, 51-54.
Fossum, J.G., McDonald, R.J. and Shibib, M.A., Apr 1988, Network represanttations of LIGBT structures for CAD of power integrated circuits, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 35, 507-514.
Goebel, H., Sept. 1994, Unified method for modeling semiconductor power devices, IEEE Trans. Power Electron., vol. 9, 497-505.
Haitao, Z. And Zhenging, Z., 2004, Modeling and simulating for IGBT based on PSIM, Hefner, A.R. Analytical modeling of device-circuit interactions for the power insulated gate bipolar transistor (IGBT), 1988, Conf. Rec.-IAS Annu. Meeting (IEEE Ind.
Appl. Soc.), vol. 35, no. 6, 606-614.
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ (devam ediyor)
Iannuzzo, F., and Busatto, G., July 2004, Physical CAD model for high-voltage IGBTs based on lumped-charge approach, IEEE Transactions on power electronics, vol. 19, no. 4.
Kang, X., Santi, E., Hudgins, J.L., Palmer P.R. and Donlon, J.F., 2003, Parameter extraction for a physics-based circuit simulator IGBT model,
Kao, C.H., Tseng, C.C. and Liang, Y.C., Nov. 2005, Equivalent circuit model for an insulated gate bipolar transistor, IEE Proc.-Electr. Power Appl., vol. 152, no. 6.
Karadeniz, A., 2001, Yüksek Matematik-3, Çağlayan Kitapevi.
Kawaguchi, Y., Terezaki, Y. and Nakagawa, A., 1995, Subcircuit spice modeling of a a lateral IGBT for high voltage power IC design, in Proc. Int. Symp. Power Semicond.
Devices.
Keserlioğlu, M., S., Erkaya H., H., 2006, IGBT Elemanının PiN Diyot Eşdeğer Devre Modeli
Yardımı ile DC Akım-Gerilim Karakteristiğinin Elde Edilmesi., ELECO’2006, Bursa.
Kim, H.S., Cho, Y.H., Kim, S.D., Choi, Y.I. Han, M.K., 1993, Parameter extraction for the static and dynamic model of IGBT, Tech. Rep.
Kraus, R. and Hoffmann, K., 1993, Analytical model of the IGBTs with low emitter efficiency, in Proc. Int. Symp. Power Semicond. Devices ICs, 30-34.
Kuo, D.S., Choi, J.Y., Giandomenico, D., Hu, C., Sapp, S.P., Sassaman, K.A. and Bregar, R., May 1985, Modeling the turn-off characteristics of the bipolar-MOS transistor, IEEE Electron Device Lett., vol. EDL-6, 211-214.
Kuo, D.S., Hu, C. and Sapp, 1986, An Analytical model for the power bipolar-MOS transistor, Solit-State Electron., vol. 29, no.12, 1229-1237.
Kvien, O., Undeland, T.M. and Rogne, T., 1993, Models for simulation of diyote (and IGBT) switching, which include the effect off the depletion layer, Conf. Rec. IAS Annu
Meeting (IEEE Ind. Appl Soc.), vol. 2,
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ (devam ediyor)
Mock, M., S., 1976, Time Discretization of a Nonlinear Initial Value Problem, J. Comp.
Phys., 21, 20-37.
Mock, M., S., 1983, Analysis of Mathematical Models of Semiconductor Devices, Dublin,.Boole Press
Lapidus, L., Pinder, G.F., 1999, Numerical Solution of Partial Differantiel Equations in Science and Engineering, John Wiley&Sons,
Metzner, D., Vogler, T. and Schroeder, D., Sept. 1994, Modular concept for the circuit simulation of bipolar power semiconductors, IEEE Trans. Power Electron., vol.
9, 506-513.
Mihalic, F., Jezernik, K., Krischan, D. and Rentmeister, M., Feb. 1995, IGBT SPICE model, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 42, 98-105.
Mohan, N., Undeland, T.M. and Robbins, W.P., 1989, Power Electronics: Converters, Applications and Design, John Wiley&Sons, 667 p.
Monti, A., 1996, Fuzzy-based black-box approach to IGBT modeling, in Proc. IEEE Int.
Conf. Electron., Circuits, Syst., vol. 2, 1147-1150.
Musumeci, S., Raciti, A., Sardo, M., Frisina F. and Letor, R., 1996, PT-IGBT PSice model with new parameter extraction for life-time and epy dependent behavior simulation, 1682-1688.
Petrie, A.F. and Hymowitz, C., Jan. 1996, SPICE model accurately simulates IGBT parameters, Power Conversion Intel. Motion, vol. 22, no. 1, 40-51.
Protiwa, F.F, Apeldoorn, O. and Groos, N., 1993, New IGBT model for PSpice, IEE Conf. Publ., vol. 2, no. 337, 226-231.
Selberherr, S., Analysis and Simulation of Semiconductor Devices, 1984, Springer-Werlag, Wien.
KAYNAKLAR DĐZĐNĐ (devam ediyor)
Sendharkar, P. and Shenai, K., 1995, A critique of the turn-on physics of power bipolar devices,
Shen, Z. and Chow, T.P., 1991, An analytical IGBT model for power circuit simulation, in Proc. 3rd Int. Symp. Power Semicond. Devices ICs ISPSD, 79-82.
Sheng, K., Finney, S.J. and Williams, B.W., Dec. 5, 1996, Fast and accurate IGBT model for PSpice, Electron. Lett., vol. 32, no. 25, 2294-2295.
Sheng, K., Finney, S.J. and Williams, B.W., Feb. 2000, Thermal stabilty of IGBT high-frequency operation, IEEE Trans. on Industrial Electronics, v. 47, no 1.
Takahashi, H., Haruguchi, H., Hagino H., and T.Yamada, 1996, Carrier stored Trench-Gate bipolar transistor (CSTBT)-A novel power device for high voltage application-
Tzou, Y.Y. and Hsu, L.J., 1993, Practical SPICE macro model for the IGBT, IECON Proc. (Ind. Electron. Conf.), vol.2, 762-766.
Wong, C., Jan/Feb. 1997, EMTP modeling of IGBT dynamic performance for power dissipation estimation, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 33, 64-71.
Yuan, S.C. and Zhu, C.C., Sept. 2003, IGBT SPICE model with nondestructive parameters
extraction and measured verification, IEE Proc.-Electr. Power Appl., vol. 150, no. 5.
ÖZGEÇMĐŞ
1969 senesinde Denizli’de dünyaya geldi. Đlk ve orta eğitimini tamamladıktan sonra başladığı Đstanbul Teknik Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği’ndeki eğitimini 1993’de tamamladı. 1994’de Pamukkale Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsünde Yüksek Lisans eğitimine başladı. 1996-1997 yılları arasında askerlik görevini tamamlayıp 1997 yılında Pamukkale Üniversitesi Müh. Fak. Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü’nde Araştırma Görevlisi olarak çalışmaya başladı. 2000 yılında Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Müh. Bölümünde Doktora eğitimine başladı ve ocak 2007 tarihinde tamamladı.