วงจรจีทีโอและวงจรไอจีบีที

 เกทเทินออฟสวิตช์ (GTO)

      เกทเทินออฟสวิตช์ หรือ GTO จะมีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า เกทคอนโทรลสวิตช์ (GATE CONTROLLED SWITCH) หรือ GCS โครงสร้างพื้นฐานจะประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ PNPN รวม 4 ตอน เหมือน SCR และ SCS มีขาต่อออกมาใช้งานเพียง 3 ขาเหมือน SCR คือ ขาแอโนด (A) ขาแคโถด (K) และขาเกท (G) แต่มีข้อดีกว่า SCR ตรงที่ขา G ของ GTO สามารถควบคุมได้ GTO ทำงานหรือหยุดทำงานได้ โครงสร้างและสัญลักษณ์ของ GTO แสดงดังรูป

                                                                   โครงสร้างและสัญลักษณ์ GTO

         การทำงานและการทำงานของ GTO สามารถควบคุมการจ่ายแรงดันได้ที่ขา G เพียงขาเดียว แต่ต้องใช้กระแสเกทที่มากระตุ้น GTO สูงกว่าของ SCR ปกติ SCR ใช้กระแสกระตุ้นเกทประมาณ 30mA ส่วนของ GTO ต้องใช้กระแสเกทสูงถึงประมาณ 10 mA ดังนั้นกระแสเกทที่จะทำให้ GTO หยุดนำกระแสจะต้องสูงมากขึ้นไปอีก ขึ้นอยู่กับชนิดของ GTO ที่นำมาใช้งาน
คุณสมบัติที่สำคัญของ GTO จะนำไปใช้เป็นสวิตช์ความไวสูง เพราะเวลาที่ GTO นำกระแสและหยุดนำกระแสเร็วมาก GTO ที่นำกระแสแล้วหยุดนำกระแสทำได้ดังนี้      1. ใช้วิธีการหยุดนำกระแสของ SCR มาใช้ได้เลย      2. ป้อนแรงดันลบค่าสูงให้ขา G ของ GTO เทียบกับขา K

 การนำ GTO ไปใช้งาน

        1. วงจรกำเนิดสัญญาณฟันเลื่อย

  

                          (ก) วงจร                                                   (ข) สัญญาณ

การทำงานของวงจรอธิบายได้ดังนี้
            วงจรกำเนิดสัญญาณฟันเลื่อยใช้ GTO วงจรประกอบด้วยตัวต้านทาน R1 เป็นตัวกำหนดกระแสให้ผ่านซีเนอร์ไดโอดไม่มากเกินไป ซีเนอร์ไดโอด D2 จะกำหนดแรงดันคงที่ Vz ให้ขา G ของ GTO มีศักย์ตกคร่อม Dz ขา K เป็นบวกและขา A เป็นลบ ตัวเก็บประจุ C1 และตัวต้านทาน R2 , R3เป็นวงจรกำหนดเวลาคงที่ ทำหน้าที่กำหนดเวลาในการทำงานและหยุดการทำงานของ GTO การเปลี่ยนเวลาคงที่ใหม่สามารถปรับเปลี่ยนค่าความต้านทาน R2 การทำงานของวงจร เมื่อจ่ายแรงดัน V เข้าวงจร GTO จะนำกระแสทันที เพราะมีแรงดันบวก Vz ให้เป็นไบอัสตรงให้ขา G ขา A ได้ศักย์บวกจากแหล่งจ่าย V ขา K   ต่อรับแรงดันลบจากแหล่งจ่าย V ทำให้ค่าความต้านทานระหว่างขา A และขา K ของ GTO ต่ำลงมาก มีศักย์บวกให้ตัวเก็บประจุ C1 ประจุแรงดันไว้บนบวกล่างลบมากขึ้นเรื่อยๆ ถ้าแรงดันที่ประจุใน C1 มีค่าสูงกว่างแรงดันที่ตกคร่อมตัวซีเนอร์ไดโอด Dz (Vz) ทำให้ขา G ได้รับไบอัสกลับเทียบกับขา K กระแสเกท Ig จะเป็นลบ ทำให้ GTO หยุดนำกระแส ตัวเก็บประจุ C1 จะเริ่มคายประจุผ่านมาทาง R2, R3 แรงดันที่ตกคร่อม C1 จะค่อยๆลดลง มีค่าเวลาคงที่ (T) เท่ากับ R2R3R1 ถ้าเลือกค่า R2R3 และ C1 ที่ถูกต้องเหมาะสม ทำให้ได้สัญญาณรูปฟันเลื่อยส่งออกเอาท์พุท ดังภาพที่ 8.13 
          ตัวเก็บประจุ C1 จะคายประจุ ทำจ่ายแรงดันตกคร่อม C1 ค่อยลดลงจนมีศักย์ตกคร่อม C1 ลดลงเท่ากับค่าแรงดัน Vz ขา G ของ GTO จะได้รับไบอัสตรงอีกครั้งหนึ่ง GTO จะเริ่มนำกระแสอีกครั้งหนึ่ง จนค่าแรงดันตกคร่อม C1 มากกว่า Vz ตัว GTO จะหยุดนำกระแสและ C1 จะคายประจุผ่าน R2,R3 อีก การทำงานจะเป็นเช่นนี้เรื่อยไป 

  

รูปร่างและตำแหน่งขาของ GTO 

วงจรไอจีบีที ( IGBT )

   IGBT ค่อนข้างจะเป็นอุปกรณืที่ใหม่อยู่ แต่พอจะมีใช้กันบ้างและมีจำหน่ายกันหลายเบอร์ด้วยกันจึงมีสัญลักษณ์อยู่หลาย รูปแบบด้วยกัน ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตว่าจะใช้สัญลักษณ์ใดเป็นสัญลักษณ์ประจำสินค้าที่ผลิตขึน ส่วนมากจะมีอยู่ 2 แบบดังรูป ซึ่งเป็นสัญลักษณ์และชื่อเรียกขาต่างๆของ IGBT ชนิดเอ็นแชนเนลจากรูป

     1. จะเห็นว่ามีสัญลักษณ์คล้ายกับมอสเฟสมากเพียงแต่สัญลักษณ์จะมีลูกศรเพิ่มขึ้นมาตรง
ขาเดรน ลักษณะของลูกศรจะชี้เข้าหาตัวหรือชี้เข้าหาชั้นของซิลิคอนภายในตัว IGBT

     2. จะ เหมือนกับสัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์ แต่ตรงขาเกต(หรือขาเบสของทรานซิสเตอร์) จะเพิ่มขีดขึ้นมาอีกหนึ่งขีด เพื่อให้เห็นว่าขีดที่เพิ่มมานั้นไม่ได้ต่อถึงกันโดยตรงกับขาที่ต่อออกมาภาย นอก

สัญลักษณ์ของ IGBT ทั้ง2แบบ

                                โครงสร้างของ IGBT ชนิดเอ็นแชนเนลแสดงเป็นภาพตัดขวางได้ดังรูป

โครง สร้างส่วนมากจะมีลักษณะเหมือนมอสเฟต จะแตกต่างตรงที่ IGBT จะมีชั้น P+หรือชั้นอิงเจ็กติ้ง (injecting)ต่ออยู่ระหว่างขาเดรน ซึ่งในมอสเฟตจะไม่มี จากการที่ขาเกตถูกกั้นด้วยชั้นของซิลิคอนออกไซด์ (SiO2) เป็นผลทำให้ความต้านทานอินพุตที่ขาเกตมีค่าสูงมากเหมือนกับเพาเวอร์มอสเฟต โดยทั่วไปจะมีค่าอยู่ช่วง 10 จิกะโอห์ม


ภาพหน้าตัดโครงสร้างพื้นฐานของ IGBT


       จากผลดังกล่าวทำให้ลักษณะของกราฟแสดงคุณสมบัติของกระแสและแรงดันของ IGBT มีลักษณะคล้ายกับกราฟของทรานซิสเตอร์ แต่การควบคุมกระแสเดรนจะอาศัยการควบคุมแรงดันระหว่างขาเกตและขาซอร์สมากกว่า การควบคุมกระแสที่ขานี้เหมือนกับทรานซิสเตอร์ ซึ่งกราฟแสดงแสดงคุณสมบัติของกระแสและแรงดันของ IGBT แสดงดังรูปที่ (ก)และรูปที่ (ข) เป็นกราฟคุณสมบัติการถ่ายโอนกระแสและแรงดัน

       รูปกราฟแสดงให้เห็นว่าส่วนใหญ่ของเส้นกราฟมีลักษณะเป็นเส้นตรงแต่จะเริ่ม โค้งที่กระแส เดรนต่ำๆนั่นก็คือจุดที่แรงดันระหว่างขาเกตและขาซอร์สต่ำลงใกล้แรงดันจุด เริ่มเปลี่ยนสภาวะการทำงาน(จุด threshold voltage:VGS(th))โดยถ้าแรงดันระหว่างเกตและซอร์สนี้ต่ำกว่าแรงดันที่จุด VGS(th) แล้วIGBTจะอยู่ในสภาวะหยุดนำกระแสหรือคัทออฟ ในกรณีของ IGBT ชนิดพีแชนเนลนั้นคุณสมบัติจะคล้ายกับเอ็นแชนเนลแต่โครงสร้างและสัญลักษณ์มี ลักษณะตรงกัน ข้ามกับเอ็นแชนเนล  



                   (ก) กราฟแสดงคุณสมบัติระหว่างกระแสและแรงดันของ IGBT
                   (ข) กราฟแสดงลักษณะสมบัติการถ่ายโอนของ IGBT

สภาวะนำกระแส
        ขาเดรนเมื่อได้รับแรงดันไบอัสตรงคือเป็นบวกเมื่อเทียบกับซอร์สและแรงดันระ หว่างเกตกับซอร์สมีค่าเกิน VGS(th)ประจุไฟฟ้าบวกที่เกิดจากแรงดันที่ขาเกตจะดึงเอาอิเล็กตรอนให้มารวม กันอยู่ในบริเวณภายใต้เกต ทำให้ชั้นบอดี้ตรงส่วนใต้เกตแปรสภาพเป็น n ทำให้เกิดการต่อกันของบริเวณ n-(drift region)เข้ากับบริเวณซอร์ส n+(source region)ซึ่งการทำงานเช่นนี้เหมือนกับมอสเฟต
       กระแสอิเล็กตรอน ที่ไหลจากขาซอร์สผ่านบริเวณใต้เกตมายังบริเวณรอยเลื่อน n-จะรวมกับโฮลที่เป็นพาหนะข้างน้อยที่ถูกฉีดมาจากชั้นอินเจ็กติ้ง p+เพราะรอยต่อ J1ได้รับแรงดันไบอัสตรง ทำให้ IGBT อยู่ในสภาวะนำกระแสเกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าจากเดรนไปซอร์สได้ การรวมกันของโฮลและอิเล็กตรอนภายในบริเวณ n- เรียกว่า การมอดูเลตสภาพนำ(conductivity modulation)
       ผลการมอดูเลตนี้จะทำให้ความต้านทานของบริเวณ n-มีค่าต่ำลงเป็นการเพิ่มความสามารถในการขับผ่านกระแสได้สูงขึ้น ซึ่งมีลักษณะเหมือนเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ ผลของความต้านทานที่ลดลงทำให้แรงดันตกคร่อมที่สภาวะนำกระแสลดต่ำลงด้วย การสูญเสียกำลังงานขณะนำกระแสจึงลดลงด้วยทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนและโฮ ลแสดงดังรูป

ทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนและโฮลในขณะนำกระแส

สภาวะหยุดนำกระแส
        เมื่อแรงดันระหว่างขาเกตและซอร์สลดลงต่ำกว่าแรงดัน VGS(th) จะทำให้มีแรงดันไม่เพียงพอสำหรับการแปรสภาพชั้นบอดี้ p เป็น n ได้ทำให้บริเวณ n-ไม่ตรงกับบริเวณซอร์ส n+ IGBT จึงอยู่ในสภาวะหยุดนำกระแส ในสภาวะนี้รอยต่อ J2 ที่ได้รับแรงดันไบอัสกลับจะทำให้เกิดกระแสรั่วไหลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น นอกจากนี้ยังทำให้เกิดบริเวณปลอดพาหะ(depletion region)ขึ้นที่รอยต่อ J2 ด้วย บริเวณปลอดพาหะนี้จะขยายบริเวณกว้างขึ้นจนเกินเข้ามายังบริเวณ n- มากกว่าที่จะขยายไปยังบริเวณชั้นบอดี้ p เพราะชั้นบอดี้ p มีความหนาแน่นของสารที่โด๊ปบริเวณรอยเลื่อย n- มากเพียงพอก็จะทำให้การขยายบริเวณปลอดพาหะไม่สามารถแตะกับชั้นอินเจ็กติ้ง p-ได้ชั้นบัฟเฟอร์ n+(buffer layer)ก็ไม่จำเป็นต้องทำให้เกิดขึ้น หรือไม่จำเป็นต้องโด๊ปสาร
       ทั้งนี้เพราะการแตะกันของบริเวณทั้งสองจะทำให้เกิดการพังทลายทางด้านไบอัส ตรงสำหรับ IGBT ที่ไม่การโด๊ปสารในชั้นบัฟเฟอร์ n+นี้จะเรียกว่า IGBT แบบสมมาตรซึ่งจะมีอัตราทนแรงดันย้อนกลับ(VRM หรือ BVSDS) เหมาะสำหรับการนำไปประยุกต์ใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ
       การลดบริเวณความหนาของ n- ลงแต่ยังคงความสามารถของอัตราทนแรงดันตรงไว้ สามารถทำได้โดยเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์ n+ เข้าไปเพื่อป้องกันการแตะกันของบริเวณปลอดพาหะกับบริเวณอินเจ็กติ้ง p+ซึ่งจะเรียก IGBT ชนิดนี้ว่า IGBT แบบไม่สมมาตร และจากการลดความหนาแน่นของบริเวณรอยเลื่อน n- จะช่วยส่งผลให้เกิดข้อดีสองประการคือ
1.ทำให้แรงดันตกคร่อมขณะนำกระแสต่ำลง เป็นผลให้การสูญเสียกำลังงานลดน้อยลงด้วย
2.ช่วยลดช่วงเวลาหยุดนำกระแสให้สั้นลงได้
        แต่ข้อเสียของการเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์ n+ ก็คือ จะลดความสามารถของอัตราทนแรงดันย้อนกลับให้เหลือน้อยลงเพียงไม่กี่สิบโวลต์ ทั้งนี้เมื่อ IGBT ได้รับแรงดันไบอัสกลับที่ขาเดรน รอยต่อ J1 ซึ่งทั้งสองข้างมีความหนาแน่นในการโด๊ปของสารมาก จะไม่สามารถทนแรงดันย้อนกลับได้สูง ดังนั้น IGBT ชนิดนี้ไม่เหมาะสมที่จะนำมาใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

การแลตช์ใน IGBT
       นอกจากโฮลส่วนใหญ่ที่รวมกับอิเล็กตรอนภายใต้บริเวณ n- แล้วยังมีกระแสโฮลบางส่วนที่ไหลข้ามบริเวณ n- เข้าสู่บริเวณชั้นบอดี้ p โดยตรงผลของกระแสโฮลนี้ทำให้เกิดแรงดันตกตร่อมความต้านทานข้างเคียง (lateral resistance) ดังรูปที่ 9.4ถ้าแรงดันนี้มีค่ามากพอคือประมาณ 0.7 โวลต์ จะทำให้รอยต่อ J3 ได้รับไบอัสตรง เป็นผลให้อิเล็กตรอนจากบริเวณซอร์ส n+ ถูกฉีดเข้ามาในชั้นบอดี้ p ถ้าดูจากรูปที่ 9.6(ค)่จะหมายถึงขาเบสและอิมิตเตอร์ของทรานซิสเตอร์เอ็นพีเอ็นได้รับแรงดัน ไบอัสตรงส่งผลให้ไทริสเตอร์ซึ่งแฝงอยู่ภายในโครงสร้างของ IGBT อยู่ในสภาวะแลตช์การนำกระแส ทำให้ที่ขาเกตไม่สามารถควบคุมปริมาณขิงกระแสเดรนได้อีกต่อไป แต่การควบคุมของกระแสเดรนนี้จะขึ้นอยู่กับตัวต้านทานที่นำมาต่อในวงจรภายนอก ถ้าหากมีการแล็ตช์เกิดขึ้นเป็นเวลานาน อาจทำให้ IGBT เสียหายได้ เพราะมีการสูญเสียกำลังงานเกินค่าพิกัดที่ทนได้ ส่วนใหญ่หรือมาตรฐานคู่มือการผลิต มักจะมีการบอกค่ากระแสเดรนสูงสุด ที่สามารถไหลผ่าน IGBT ได้โดยยังไม่เกิดการแล็ตช์ขึ้น (IDM) แต่เนื่องจากกระแสเดรนถูกกำหนดหรือควบคุมโดยตรงจากแรงดันระหว่างขาเกตและ ซอร์ส บางครั้งคู่มือบอกแรงดันสูงสุดระหว่างขาเกตและซอร์สสูงสุดที่จะทำให้ไม่เกิด การแลตช์ แทนการบอกค่ากระแสเดรนสูงสุด(IDM)
        การแลตช์ที่กล่าวถึงข้างต้นเรียกว่าการแลตช์ใน โหมดสแตติก เพราะเกิดขึ้นเมื่อกระแสที่ไหลในสภาวะนำกระแสมีค่าเกิน IDM แต่ลักษณะการแลตช์นี้ก็สามารถเกิดขึ้นได้ เรียกว่า โหมดไดนามิก ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนการทำงานจากสภานำกระแสเข้าสู่สภาวะหยุดนำ กระแสได้ด้วย บางครั้งการแลตช์นี้เกิดขึ้นได้แม้ว่ากระแสเดรนขณะนำกระแสยังมีค่าต่ำกว่า ค่า IDM ก็ตามทั้งนี้เพราะเมื่อ IGBT เริ่มหยุดนำกระแส กระแสเดรนจะตกลงอย่างรวดเร็วรอยต่อ J2จะต้องรับแรงดันย้อนกลับที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน
        ผลที่เกิดขึ้นทำให้บริเวณปลอดพาหะขยายบริเวณชั้นบอดี้ p โดยเฉพาะจะขยายเข้าสู่บริเวณ n-มากกว่า เพราะมีความหนาแน่นของการโด๊ปต่ำกว่า การขยายบริเวณปลอดพาหะอย่างรวดเร็ว จะทำให้โฮลที่ค้างอยู่บริเวณ n- ขณะนำกระแสและยังไม่ได้รวมกับอิเล็กตรอนหลุดรอดจากการขัดขวางของบริเวณปลอด พาหะเข้าไปสะสมอยู่ในบริเวณรอยต่อ J2 เป็นการเพิ่มกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานข้างเคียงให้สูงขึ้น ทำให้ไทริสเตอร์ภายใน IGBT เกิดดารแลตช์ขึ้นได้ เมื่อเกิดการแล็ตช์ขึ้นแรงดันตกคร่อมขาซอร์สและเดรนขณะนำกระแสจะมีค่าต่ำ กว่าระดับปกติ นอกจากนี้การแลตช์ยังสามารถเกิดขึ้นได้อีก เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภุมิรอยต่อ ในขณะที่กระแสเดรนยังมีค่าต่ำกว่า IDM นั่นเอง

การป้องกันการแลตช์

         การหลีกเลี่ยงการแลตช์ของ IGBT สามารถทำได้ทั้งผู้ผลิตและผู้ใช้งานเองผู้ผลิตอาจจะออกแบบโครงสร้างในส่วน บริเวณบอดี้ p ให้มีความต้านทานข้างเคียงค่าต่ำที่สุด เพื่อจะได้ค่า IDM เพื่มขึ้นให้มากที่สุด ซึ่งเป็นการลดโอกาสที่จะเกิดการแลตช์ลงได้

         วิธีแรกอาจทำได้โดยลดความกว้างของบริเวณซอร์ส n+ ลงนั่นคือลดค่า Ls ลงนั่นเอง
         วิธีที่สองเป็นการแบ่งระดับความหนาแน่นในการโด๊ปสารของบริเวณบอดี้ p ดังในรูปที่ 9.5

  จะเห็นว่าบริเวณบอดี้ p ภายใต้เกตจะโด๊ปด้วยความหนาแน่นในระดับปกติ 1016 cm3 และมีความหนาแน่นน้อยกว่าของบริเวณซอร์ส n+ แต่ส่วนอื่นที่เหลือของบริเวณบอดี้ p จะโด๊ปด้วยความหนาแน่นที่มากกว่าคือ 10 19 cm3 รวมถึงความหนาก็จะมากกว่าด้วยการทำเช่นนี้จะทำให้เพิ่มความสามารถในการนำ กระแสให้สูงขึ้น เป็นการลดความต้านทานข้างเคียงให้น้อยลงได้
          สำหรับผู้ใช้งานก็สามารถป้องกันการแลตช์ในโหมดสแตติกได้ โดยออกแบบไม่ ให้กระแสที่ไหลในโหลดไหลเกินค่ากระแส IDM และป้องกันการแลตช์ในโหมดไดนามิกได้ โดยหน่วงเวลาขณะหยุดนำกระแสให้ยาวขึ้น เพื่อให้โฮลที่ยังค้างอยู่ในบริเวณ n- มีเวลาพอที่จะรวมกับอิเล็กตรอน เป็นการลดกระแสที่ไหลผ่านความต้านทานข้างเคียงให้น้อยลงได้ การหน่วงเวลาขณะหยุดนำกระแสให้ยาวนานขึ้น ทำได้โดยการเพิ่มความต้านทานภายนอกอนุกรมเข้ากับขาเกตของ IGBT

วงจรสมมูลของ IGBT

          วงจรสมมูลของ IGBT แสดงไว้ในรูป โดยในรูป (ก)นั้นจะเห็นว่าในบริเวณบอดี้ p ชั้นบริเวณ n- และชั้นอิงเจ็กติ้ง p+ จะคล้ายกับทรานซิสเตอร์ชนิดเอ็นพีเอ็น โดยแทนได้ด้วยขาคอลเล็กเตอร์ ,เบส และอิมิตเตอร์ ตามลำดับและบริเวณภายใต้เกตก็จะแทนได้ด้วยมอสเฟตซึ่งจะมีความต้านทานบริเวณ n- เชื่อมขาเบสของทรานซิสเตอร์พีเอ็นพีเข้ากับขาเดรนของมอสเฟต ซึ่งเมื่อเขียนวงจรสมมูลออกมาจะได้วงจรดังรูป (ข)

           จากรูป (ข) จะเห็นว่าเป็นวงจรดาร์ลิงตัน โดยมีมอสเฟตเป็นตัวขับทรานซิสเตอร์พีเอ็นพี แต่มีจุดพิเศษที่แตกต่างจากวงจรทั่วไป คือกระแสเดรนส่วนใหญ่จะไหลจากอิมิตเตอร์มายังเบส ผ่านความต้านทานบริเวณรอยเลื่อน และผ่านขาเดรนของมอสเฟตมาจบลงที่ขาซอร์ส จะมีกระแสส่วนน้อยเท่านั้นที่ไหลจากอิมิตเตอร์มายังคอลเล็กเตอร์และขาซอร์ส สำหรับวงจรในรูปที่ 6 (ค) จะแสดงให้เห็นว่าภายใน IGBT มีไทริสเตอร์แฝงอยู่ด้วย โดยดูได้จากทรานซิสเตอร์ชนิดเอ็นพีเอ็นและพีเอ็นพีต่อเข้าด้วยกันในลักษณะ ที่มีการป้อนกลับ ทำให้เห็นได้ชัดถึงเหตุที่ทำให้เกิดการแลตช์ของ IGBT

            ถ้ากระแสส่วนน้อยที่ไหลผ่านจากอิมิตเตอร์มายังคอลเล็กเตอร์ของทรานซิสเตอร์ พีเอ็นพี ผ่านความต้านทานข้างเคียงแล้วทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมความต้านทานสูงกว่า 0.7 โวลต์ ทรานซิสเตอร์เอ็นพีเอ็นจะนำกระแส ส่งผลให้เกิดการแลตช์ขึ้นใน IGBT สำหรับแรงดันตกคร่อมขาเดรนและซอร์สของ IGBT ขณะนำกระแส(VDS(on)) สามารถเขียนสมการได้ดังนี้
          VDS(on)=Vj1+Vdrift+IDRchannel     ......................(1)
          เมื่อ Vj1เป็นแรงดันไบอัสตรงที่ตกคร่อมรอยต่อพีเอ็น จึงมีค่าค่อนข้างจะคงที่ จะมีการเปลี่ยนแปลงบ้างก็เล็กน้อย เพราะมีความสัมพันธ์โดยตรงในลักษณะเอ็กซ์โปเนนเซียลกับกระแส ทำให้มีค่าอยู่ระหว่าง 0.7-1 โวลต์
          Vdrift เป็นแรงดันที่ตกคร่อมความต้านทานบริเวณรอยเลื่อน ซึ่งความต้านทานนี้มีค่าค่อนข้างคงที่  เมื่อเปรียบเทียบกับค่าแรงดันในมอสเฟตแล้วจะมีค่าน้อยกว่าเพราะผลของการมอดู เลตสภาพนำที่เกิดขึ้นใน IGBT
          Rchannel เป็นค่าความต้านทานในย่าน 1- 1,000 โอห์ม มีค่าค่อนข้างคงที่
          IDRchannel  เป็นแรงดันตกคร่อมมอสเฟต

          ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า VDS(on)จะมีค่าสูงมากขึ้นตามค่ากระแสเดรนที่สูงขึ้น โดยทั่วไป IGBT จะสามารถทำงานได้ในอุณหภูมิรอยต่อสูงสุดถึง 150 องศาเซลเซียล และผลของการเปลี่ยนอุณหภูมิจากค่าอุณหภูมิห้องไปถึงค่าสูงสุดนี้ จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่า VDS(on) เพียงเล็กน้อยเท่านั้น เพราะ IGBT มีค่า VDS(on) เป็นผลรวมระหว่างแรงดันตกคร่อมมอสเฟตที่มีสัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิเป็นบวก (อุณหภูมิสูงขึ้นแรงดันตกคร่อมความต้านทานบริเวณลอยเลื่อนจะสูงขึ้นตาม) กับแรงดันตกคร่อมความต้านทานบริเวณรอยเลื่อนที่มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็น ลบ



                      (ก)แสดงโครงสร้างที่มีทรานซิสเตอร์และมอสเฟตฝังอยู่ภายใน
                      (ข)วงจรสมมูลสำหรับการทำงานสภาพปกติของ IGBT
                      (ค)วงจรสมมูลที่แสดงส่วนของไทริสเตอร์ที่แฝงอยู่ใน IGBT

ลักษณะการสวิตช์
       ลักษณะของสัญญาณกระแสและแรงดันในช่วงเวลาที่เกิดการนำกระแสและหยุดนำกระแส แสดงไว้ในรูป
       โดยช่วงเวลาในการนำกระแสของ IGBT แสดงไว้ในรูปที่ 9.6(ก)ซึ่งะมีลักษณะการนำกระแสคล้ายกับการนำกระแสของมอสเฟต คือจะมีเวลาก่อนการนำกระแส (td(on)) นับตั้งแต่เวลาที่แรงดันระหว่างเกตกับซอร์สอยู่ในช่วง VGG- จนถึง VGS(th) ความจริงแล้วการป้อนแรงดันนี้จะมีลักษณะการเปลี่ยนแปลงทันทีทันใดจากค่า VGG- เป็น VGG+ แต่มีลักษณะเป็นเอ็กซ์โปเนนเซียล

        เหตุที่เป็นเช่นนั้นเนื่องจากผลการชาร์จประจุของตัวเก็บประจุระหว่างเก ตกับซอร์สและเกตกับเดรนภายใน IGBT แรงดันที่ขาเดรนจะยังคงที่ในช่วงเวลาขาขึ้น(tri)หรือในช่วงเวลาที่กระแสเดรน ยังไม่ถึงค่ากระแสทำงาน (Io)หลังจากนั้นกระแสเดรนก็จะคงที่แต่แรงดันจะจะตกลงสู่ค่า VSD(on)โดยแบ่งช่วงเวลาลงเป็นสองช่วง คือช่วง tfv1เป็นช่วงที่ทำงานอยู่ในย่านความต้านทานสูง (Rchannel)ส่วน tfv2 ช่วงที่ทำงานอยู่ในช่วงความต้านทานต่ำ (Rchannel)

       ในรูปที่ (ข) เป็นรูปแสดงลักษณะกระแสและแรงดันในช่วงเวลาที่ IGBT หยุดนำกระแส จะเห็นได้ว่ากระแสเดรนยังคงที่อยู่ตลอดช่วงเวลาที่แรงดันขาเดรนเพิ่มขึ้น และมีช่วงเวลาลงของกระแสเดรนที่แตกต่างชัดเจนสองช่วงโดยช่วงแรก tfi1 จะเป็นช่วงหยุดนำกระแสของมอสเฟตภายใน IGBT และช่วง tfi2 จะเป็นช่วงหยุดนำกระแสของทรานซิสเตอร์พีเอ็นพี ซึ่งจะช้ากว่ามอสเฟต ทำให้ช่วงเวลานี้นานกว่าช่วงแรกและมีการสูญเสียกำลังงานมากในช่วงนี้






                              (ก)ลักษณะของกระแสและแรงดันขณะนำกระแส
                              (ข)ลักษณะของกระแสและแรงดันขณะหยุดนำกระแส



พื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย
       IGBTมีพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยทั้งในระหว่างนำกระแสและหยุดนำกระแส โดยมีพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยในขณะไบอัสตรง (forward bias safe operating area : FBSOA)ที่กว้างมาก เกือบได้เป็นสี่เหลี่ยมสำหรับเวลาในการสวิตช์ที่สั้นๆ แต่จะแคบลงเมื่อเวลาในการสวิตช์ยาวนานขึ้น ซึ่งถ้าเทียบกับเพาเวอรืมอสเฟตแล้ว IGBT จะทำงานได้ในช่วงพื้นที่ที่กว้างกว่าเมื่อเวลาในการสวิตช์เท่ากัน


ใน ช่วงระยะเริ่มนำกระแสและขณะที่นำกระแสแล้ว จุดการทำงานของ IGBT จะต้องมีขนาดแรงดันและกระแสที่ขาเดรนอยู่ภายในพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยใน ช่วงไบอัสตรงเสมอ ดังรูปที่ 9.8(ก)หากไม่เช่นนั้นแล้วจะทำให้เกิดการเสียหายขึ้นกับ IGBT จากรูปพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยของ IGBT นี้แสดงถึงขีดจำกัดของกระแสเดรน , อัตราทนแรงดันไหลตรง และอุณหภูมิรอยต่อของ IGBT ตามลำดับ

      สำหรับการทำงานที่ปลอดภัยในช่วงไบอัสกลับ (reverse bias safe operating area : RBSOA)จะแตกต่างจากในช่วงไบอัสตรง โดยในรูปนี้จะแสดงค่าจำกัดของค่าอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันที่ขาเดรนต่อเวลา (dvDS/dt) ซึ่งจะเกิดขึ้นในช่วงระหว่างหยุดนำกระแส แทนขีดจำกัดทางด้านอุณหภูมิรอยต่อ และ จะมีพื้นที่แคบลงถ้า dvDS/dt มีค่าสูงมากขึ้น ส่วนเหตุผลที่ถูกจำกัดโดยค่านี้เพราะไม่ต้องการให้เกิดการแลตช์ขึ้นที่ IGBT

      ค่า dvDS/dt นี้จะมีผลโดยตรงกับช่วงเวลาหยุดนำกระแส หมายความว่าถ้ามีอัตราการเปลี่ยนแปลงเร็วจะทำให้ช่วงเวลาหยุดนำกระแสน้อย แต่ก็ยังถือว่าโชคดีที่ขีดจำกัด dvDS/dt ของ IGBT มีค่าสูงมาก เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ไทริสเตอร์ตัวอื่นๆ ดังนั้นความจำเป็นในการใช้วงจรสนับเบอร์เพื่อป้องกันการแลตช์ก็ไม่มีความจำ เป็นต้องใช้ และการควบคุมค่า dvDS/dt ที่เกิดขึ้นยังทำได้ง่ายขึ้นด้วยการออกแบบวงจรขับเกตที่มีค่าความต้านทานที่ ต่อกับขาเกตและค่า VGG-ที่เหมาะสม
      


                           (ก)พื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยในสภาวะไบอัสตรง
                           (ข)พื้นที่การทำงานที่ปลอดภัยในสภาวะไบอัสกลับ