كاتب عمود
كاتب عمود
ما هي عملية دوران IGBT؟ (المحاضرة 1)
2022-03-17 1493
قد يكون مُختصو إلكترونيات الطاقة على دراية بترانزستور IGBT. اسمه الكامل هو ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة، وهو جهاز شبه موصل طاقة مُركّب مُتحكّم فيه بالكامل، ويتكوّن من ترانزستور تأثير المجال ذو البوابة المعزولة (MOS) وترانزستور ثنائي القطب (BJT). يُعرف هذا الجهاز عادةً باسم "وحدة المعالجة المركزية" (CPU) في إلكترونيات الطاقة. من خلال إشارة تحكم في البوابة تزيد عن عشرة فولت، يمكنه تحقيق التحكم في جهد kV والتيار kA. وباعتبارها صناعة ناشئة استراتيجية وطنية، فإنها تستخدم على نطاق واسع في النقل بالسكك الحديدية والشبكة الذكية وتوفير الطاقة الصناعية والمركبات الكهربائية ومعدات الطاقة الجديدة.ولكن هل تعرف حقا IGBT؟ اليوم، لنناقش عملية فصل IGBT. قبل أن نبدأ، دعونا نطرح سؤالاً. يُمكنك التفكير فيه. يوضح الشكل 1 العلاقة بين مقاومة بوابة الفصل في IGBT وارتفاع الجهد.
 
الشكل 1. العلاقة بين الجهد الزائد لإيقاف تشغيل IGBT ومقاومة البوابة [1]عندما يتم زيادة مقاومة بوابة IGBT، هل سيزداد ارتفاع الجهد؟ أي نوع من الشبح هذا؟ وهل الأمر مختلف عما كنا نظن؟لنلقِ نظرة على العلاقة بين مقاومة الفصل وخسارة الفصل في IGBT. يتضح من الشكل 2 أن مقاومة الفصل في IGBT لا تؤثر على خسارة الفصل إلا قليلاً.
 


 من الصورتين أعلاه، يبدو أنه ليس من الأمثل التأثير على خصائص إيقاف تشغيل IGBT من خلال مقاومة البوابة. ولكن، هذا هو الحال، فهل من حل؟ لا بد من وجود بعض الأساليب، أولاً بيع الابن المسجون، ثم سنتحدث عنها لاحقاً!اليوم، دعونا نتحدث بشكل مختصر عن عملية إيقاف تشغيل IGBT، ونحلل أسباب الظاهرة المذكورة أعلاه من الجذر.لفهم آلية إيقاف تشغيل IGBT، من الضروري استعراض مبدأ عمله بإيجاز. وكما ذكرنا سابقًا، IGBT هو جهاز طاقة يتكون من MOS وBJT. يوضح الشكل 1 البنية الداخلية والدائرة المكافئة لترانزستور IGBT NPT. نعلم جميعًا أن ترانزستور IGBT جهاز ثنائي القطب، أي أن كلًا من الإلكترونات والفجوات تشارك في التوصيل. بافتراض أن تيار الإلكترون المتدفق عبر MOS موجود في الداخل وتيار الثقب المتدفق عبر الترانزستور pnp هو Ip، فإن تيار المجمع IC المتدفق عبر IGBT يكون في الداخل + IP.  
 


 
 وفقا لمبدأ عمل الترانزستور، توجد العلاقة التالية بين تيار المجمع Ip والتيار الأساسي في الترانزستور PNP: 


  βpnp هو عامل تضخيم تيار الباعث المشترك للترانزستور، و αpnp هو عامل تضخيم تيار القاعدة المشترك للترانزستور. تجدر الإشارة إلى أن الترانزستور PNP على جانب المجمع من IGBT يعادل فقط الترانزستور PNP في البنية، وهو بعيد كل البعد عن الترانزستور المستخدم فعليًا لتضخيم التيار في الأداء [3]. يمكن للترانزستور الحقيقي تضخيم التيار، أي Ip>>In، بينما بالنسبة لـ IGBT، فإن تيار الإلكترون In يساوي بشكل أساسي تيار الثقب Ip.بعد الحديث عن الترانزستورات، دعونا نتحدث عن MOS. نعلم جميعًا أن MOS هو جهاز يتم التحكم فيه بالجهد. يحتوي تيار القناة في MOS على العلاقة التالية مع جهد البوابة في عملية التبديل:
   
  في هذه الصيغة، Kp هو المعامل المتعلق ببنية الجهاز وخصائص الناقل، وVge,th هي الفولتية العتبية.في هذه المرحلة، قد يكون من الواضح قليلاً للجميع أن ما نتحكم به في جهد بوابة IGBT هو في الواقع MOS الداخلي، والذي يتأثر بشكل مباشر بتيار الإلكترون In، في حين أن تيار الثقب Ip لا يرتبط بشكل مباشر بجهد البوابة Vge.بالعودة إلى الموضوع، لنلقِ نظرة على عملية فصل IGBT. عادةً، يمكن تقسيم عملية فصل IGBT إلى خمس مراحل وفقًا لخصائصها الخارجية، كما هو موضح في الشكل التالي:
    图4. IGBT 关断外特性
 
المرحلة ١ (t٠-t١): يُفرَّغ مكثف البوابة، وينخفض ​​جهد البوابة بشكل كبير إلى جهد منصة مايتريا Vgep. المرحلة ٢ (t١-t٢): في مرحلة منصة مايتريا، يبقى جهد البوابة ثابتًا تقريبًا، ويعتمد جهد Vgep على تيار الحمل. يشحن تيار البوابة مكثف مايتريا، ويرتفع جهد المجمع بشكل طفيف. المرحلة ٣ (t٢-t٣): في مرحلة ارتفاع جهد المجمع، يرتفع جهد المجمع Vce لـ IGBT بسرعة إلى جهد الناقل. في الوقت نفسه، ينخفض ​​جهد البوابة من منصة مايتريا Vgep إلى جهد العتبة Vge,th، وتُطفأ البوابة تمامًا. المرحلة الرابعة (t3-t4): في مرحلة انخفاض تيار المجمع، يرتفع جهد مجمع IGBT إلى جهد الناقل Vdc، ويدخل الصمام الثنائي المقابل له مرحلة التوصيل الأمامي، وينتقل تيار الحمل بسرعة من IGBT إلى الصمام الثنائي. ينخفض ​​تيار Ic بسرعة إلى التيار الخلفي، ويتجاوز جهد المجمع جهده بشكل معين بسبب وجود محاثة ضالة. المرحلة الخامسة (t4-t5): في عملية التيار الخلفي، تُحدد سرعة انخفاض التيار في هذه المرحلة بشكل أساسي بعمر الناقل. قد يتساءل البعض عن سبب إغلاق البوابة عند بدء انخفاض التيار. تُظهر العديد من الأبحاث أنه عند انخفاض تيار مجمع IGBT إلى 0، تُغلق البوابة. لا تُشكل هذه الأرقام عائقًا في فهم خصائص تحويل IGBT. في الواقع، هناك بعض المشاكل، ولكن دعونا لا نتعمق في التفاصيل. في الواقع، من الصعب علينا اختبار متى يتم إيقاف تشغيل بوابة IGBT، لأننا لا ندرس أشباه الموصلات على الإطلاق، ولا نعرف الكثير من المعلمات! يصف ما يلي عملية إيقاف تشغيل IGBT من مستوى الآلية الداخلية: أولاً، انظر إلى توزيع الناقلات الداخلية قبل إيقاف تشغيل IGBT. يتوافق الشكل 5 مع توزيع الناقلات الداخلية في IGBT قبل t0 في الشكل 4، أي في حالة التشغيل. هنا، نناقش بشكل أساسي توزيع الناقلات في منطقة القاعدة N، لأن خصائص تبديل IGBT تتأثر بشكل أساسي بالناقلات في منطقة القاعدة N. في حالة التشغيل، تكون منطقة القاعدة N مليئة بالإلكترونات والفجوات، لذلك يمكن أيضًا تسمية هذه المنطقة بمنطقة تخزين الناقل (CSR) أو البلازما. أثناء عملية حالة التشغيل، يكون تيار الإلكترون وتيار الثقب في منطقة قاعدة IGBT تقريبًا 3: 1، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن حركة الإلكترونات تبلغ ثلاثة أضعاف حركة الفجوات في نفس الظروف [4]. 
 

توزيع الناقل قبل الوقت 0  
عندما يتم تطبيق جهد تحيز صفري أو سلبي على بوابة IGBT، يدخل الجهاز في عملية إيقاف التشغيل. أولاً، مع انخفاض جهد البوابة، ينخفض ​​تيار الإلكترون المحقون من منطقة المصدر N+ إلى منطقة القاعدة N عبر قناة MOS تدريجيًا، بينما يظل تيار المجمع الخارجي دون تغيير تحت تأثير محاثة الحمل، وبالتالي فإن تيار الإلكترون وتيار الثقب داخل وحدة IGBT سوف ينحرفان عن حالة التوازن الأصلية. يوضح الشكل 3 تغير الناقلات في منطقة القاعدة N من IGBT في هذه المرحلة، وهو ما يتوافق مع توزيع الناقلات في t0-t3 في الشكل 4، حيث لا يزال عدد كبير من أزواج الإلكترونات والفجوات موجودًا في منطقة CSR على الجانب الأيسر من منطقة القاعدة N. على الجانب الأيمن من منطقة القاعدة N، توجد منطقة شحنة فراغية (SCR)، خالية من أي ناقلات متبقية، ويمكن تسميتها أيضًا بطبقة الاستنزاف. أثناء فصل IGBT، تحمل هذه المنطقة جهدًا، وينخفض ​​تيار الإلكترونات في منطقة SCR تدريجيًا، بينما يزداد تيار الثقب تدريجيًا.
 

توزيع الناقل في الفترة 0-t3

عندما يستمر جهد بوابة IGBT في الانخفاض إلى جهد العتبة Vgeth، يتم إيقاف تشغيل قناة التوصيل الداخلية MOS تمامًا، ويصبح In1 هو 0، مما يقطع التيار الأساسي لترانزستور PNP. لن يُدخل باعث ترانزستور PNP فجوات في منطقة القاعدة N. يُطابق الشكل 7 t3 الخاصية غير المميزة لترانزستور IGBT. في هذه الحالة، يكون تيار الإلكترونات في منطقة الشحنة الفراغية صفرًا، ويحافظ تيار الفجوات Ip1 على تيار الحمل تمامًا، بينما لا تزال الإلكترونات والفجوات في منطقة الشحنة الفراغية موجودة.
 

توزيع الناقل لمدة 3 ساعات

عندما يرتفع جهد المجمع Vce الخاص بـ IGBT إلى جهد الناقل، ينخفض ​​تيار المجمع بسرعة، ويتم تحديد معدل انخفاض IC من خلال خصائص الجهاز نفسه، والذي لن يتم التحكم فيه بعد الآن بواسطة البوابة. الشكل 8 يتوافق مع t3-t4 في الشكل. 4. بعد الانتهاء من هذه المرحلة، لا يزال هناك عدد قليل من الموجات الحاملة متبقية في منطقة المسؤولية الاجتماعية للشركات، ويتم تحديد التخلص من الموجات الحاملة المتبقية بشكل أساسي من خلال معدل إعادة التركيب الخاص بها، والذي يظهر كتيار زائد خارجيًا.
 

توزيع الناقل في الفترة 3-t4

في هذه المرحلة، قد تفهم أن ما إذا كان من الممكن التحكم في معدل انخفاض التيار لمجمع IGBT بواسطة البوابة يعتمد على ما إذا كان تيار الإلكترون الذي يتم حقنه بواسطة قناة MOS لا يزال يلعب دورًا في مرحلة انخفاض تيار IGBT. هنا يمكننا استخدام الصيغة لوصف معدل الانحدار لإيقاف تشغيل IGBT:
   
  ليس من الصعب أن نكتشف من الصيغة أن In1 يجب أن يتمتع بحق معين في التحدث من أجل التحكم في المنحدر المتساقط لتيار المجمع عند إيقاف تشغيله. كيف يمكننا زيادة نسبة تيار الإلكترون في قناة MOS؟

هناك طريقتان، الأولى هي إبطاء سرعة إيقاف تشغيل IGBT، والثانية هي حقن تيار الإلكترون في البوابة. في الوقت الحاضر، كلتا الطريقتين لها تطبيقات جيدة في محرك بوابة IGBT. ما هي طرق إبطاء سرعة الاغلاق؟ بالطبع من الممكن زيادة المقاومة، لكن تأخير أو خسارة إيقاف التشغيل كبيرة جدًا، وهو ما لا يستحق الخسارة؛ الطريقة الأخرى هي استخدام تقنية القيادة النشطة، مع اتخاذ تدابير لإبطاء سرعة إيقاف تشغيل IGBT فقط عند انخفاض تياره. تُحقق هذه الطريقة توازنًا جيدًا بين تأخير التبديل وزيادة الجهد والفقد. يحتوي برنامج التشغيل الرقمي Feishide المحلي على هذه الوظيفة، لذلك يمكن للمهتمين التعرف عليها (ليس إعلانًا هنا، إنه تبادل تقني بحت)! ثم كيفية حقن التيار في البوابة؟ هذا هو ما نسميه غالبًا تقنية التثبيت النشط لجهد المجمع.




إخلاء المسؤولية: هذا المقال مستنسخ من "مكتب استخبارات أشباه الموصلات للسيارات". تمثل هذه المقالة فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا تمثل آراء Sacco Micro والصناعة. إنه مخصص فقط لإعادة الطباعة والمشاركة لدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة الطبع. وفي حالة وجود أي مخالفة يرجى التواصل معنا لحذفها.

هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس/فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي
ف ف: 332496225 مدير تشيو
العنوان: الغرفة 809، المبنى C، مبنى Zhantao Technology، رقم 1079 شارع Minzhi، منطقة Longhua الجديدة، Shenzhen


التوصيات ذات الصلة
whatsapp

خدمة الخط الساخن

tel: +86 755 83044319

WhatsApp

Whatsapp:+8618073002950