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Abbildung 1. Zusammenhang zwischen IGBT-Abschaltüberspannung und Gate-Widerstand [1]Wenn der Gate-Off-Widerstand des IGBT erhöht wird, erhöht sich dann die Spannungsspitze? Was ist das für ein Geist? Ist es anders als wir dachten?Betrachten wir die Beziehung zwischen dem Abschaltwiderstand und dem Abschaltverlust von IGBT. Aus Abbildung 2 ist ersichtlich, dass der Abschaltwiderstand von IGBT wenig Einfluss auf den Abschaltverlust hat.
Aus den beiden obigen Bildern geht hervor, dass es nicht ideal ist, die Abschalteigenschaften von IGBTs durch den Gate-Widerstand zu beeinflussen. Dies ist jedoch der Fall. Gibt es also keine Lösung? Es muss einige Methoden geben: Verkaufen Sie zuerst einen eingesperrten Sohn, und dann reden wir später darüber!Lassen Sie uns heute kurz über den Abschaltvorgang von IGBT sprechen und die Ursachen des oben genannten Phänomens von Grund auf analysieren.Um den Abschaltvorgang eines IGBT zu verstehen, ist es notwendig, kurz auf das Funktionsprinzip eines IGBT einzugehen. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei einem IGBT um ein Leistungsbauelement, das aus MOS und BJT besteht. Abbildung 1 zeigt die interne Struktur und das Ersatzschaltbild des NPT-IGBT. Wir alle wissen, dass ein IGBT ein bipolares Gerät ist, d. h. sowohl Elektronen als auch Löcher sind an der Leitung beteiligt. Angenommen, der durch den MOS fließende Elektronenstrom ist in und der durch den pnp-Transistor fließende Löcherstrom ist Ip, dann ist der durch den IGBT fließende Kollektorstrom IC in+IP.
Gemäß dem Funktionsprinzip des Transistors besteht zwischen dem Kollektorstrom Ip und dem Basisstrom in des PNP-Transistors folgender Zusammenhang:
βpnp ist der Verstärkungsfaktor des gemeinsamen Emitterstroms des Transistors und αpnp ist der Verstärkungsfaktor des gemeinsamen Basisstroms des Transistors. Es ist zu beachten, dass der PNP-Transistor auf der Kollektorseite des IGBT nur in seiner Struktur dem PNP-Transistor entspricht, was in seiner Leistung weit von dem Transistor entfernt ist, der tatsächlich zur Stromverstärkung verwendet wird [3]. Der reale Transistor kann den Strom verstärken, d. h. Ip>>In, während beim IGBT der Elektronenstrom In grundsätzlich gleich dem Löcherstrom Ip ist.Nachdem wir über Transistoren gesprochen haben, sprechen wir über MOS. Wir alle wissen, dass MOS ein spannungsgesteuertes Gerät ist. Der Kanalstrom In von MOS hat beim Schaltvorgang folgenden Zusammenhang mit der Gate-Spannung:
In dieser Formel ist Kp der Koeffizient, der sich auf die Gerätestruktur und die Trägereigenschaften bezieht, und Vge,th sind die Schwellenspannungen.An diesem Punkt dürfte jedem klar sein, dass wir die Gate-Spannung des IGBT eigentlich über den internen MOS steuern, der direkt vom Elektronenstrom In beeinflusst wird, während der Löcherstrom Ip nicht direkt mit der Gate-Spannung Vge zusammenhängt.Zurück zum Thema: Werfen wir einen Blick auf den Abschaltvorgang von IGBT. Normalerweise kann der Abschaltvorgang von IGBT entsprechend seinen äußeren Eigenschaften in fünf Phasen unterteilt werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
图4. IGBT-TechnologiePhase 1 (t0–t1): Der Gate-Kondensator entlädt sich und die Gate-Spannung fällt exponentiell auf die Maitreya-Plattformspannung Vgep. Phase 2 (t1–t2): In der Maitreya-Plattformphase bleibt die Gate-Spannung grundsätzlich unverändert und die Vgep-Spannung hängt vom Laststrom ab. Der Gate-Strom lädt den Maitreya-Kondensator auf und die Kollektorspannung steigt leicht an. Phase 3 (t2–t3): In der Phase steigender Kollektorspannung steigt die Kollektorspannung Vce des IGBT schnell auf die Busspannung. Gleichzeitig fällt die Gate-Spannung von der Maitreya-Plattform Vgep auf die Schwellenspannung Vge,th und das Gate wird vollständig ausgeschaltet. Phase 4 (t3–t4): In der Phase fallenden Kollektorstroms ist die Kollektorspannung des IGBT auf die Busspannung Vdc gestiegen und die dem IGBT entsprechende Diode geht in die Vorwärtsleitungsphase über, und der Laststrom wird schnell vom IGBT zur Diode übertragen. Der Strom von Ic fällt schnell auf den Nachlaufstrom ab und die Kollektorspannung weist aufgrund der Streuinduktivität ein gewisses Überschwingen auf. Phase 5 (t4–t5): Nachlaufstromprozess. Die Geschwindigkeit des Stromabfalls in dieser Phase wird hauptsächlich durch die Trägerlebensdauer des Geräts bestimmt. Manche Leute fragen sich vielleicht, warum das Gate ausgeschaltet wird, wenn der Strom zu sinken beginnt. Viele Veröffentlichungen zeigen, dass das Gate ausgeschaltet wird, wenn der Kollektorstrom des IGBT auf 0 fällt. Diese Abbildungen sind für das einfache Verständnis der Schalteigenschaften von IGBT problemlos. Genau genommen gibt es einige Probleme, aber wir wollen uns nicht zu sehr damit befassen. Tatsächlich ist es für uns schwierig zu testen, wann das Gate des IGBT ausgeschaltet wird, da wir schließlich keine Halbleiter untersuchen und viele Parameter nicht kennen! Im Folgenden wird der Ausschaltvorgang des IGBT aus Sicht des internen Mechanismus beschrieben: Betrachten wir zunächst die Verteilung der internen Träger vor dem Ausschalten des IGBT. Abbildung 5 entspricht der Verteilung der internen Träger im IGBT vor t0 in Abbildung. 4, also im eingeschalteten Zustand. Hier diskutieren wir hauptsächlich die Ladungsträgerverteilung im N-Basisbereich, da die Schalteigenschaften des IGBT hauptsächlich von den Ladungsträgern im N-Basisbereich beeinflusst werden. Im eingeschalteten Zustand ist der N-Basisbereich voller Elektronen und Löcher, daher wird dieser Bereich auch als Trägerspeicherbereich (CSR) oder Plasma bezeichnet. Während des Einschaltvorgangs beträgt das Verhältnis von Elektronen- zu Löcherstrom im Basisbereich des IGBT etwa 3:1, hauptsächlich weil die Beweglichkeit der Elektronen unter gleichen Bedingungen dreimal so groß ist wie die der Löcher [4].
Wenn eine Null- oder negative Vorspannung an das Gate des IGBT angelegt wird, beginnt das Gerät mit dem Abschaltvorgang. Erstens nimmt mit der Abnahme der Gate-Spannung der Elektronenstrom, der von der N+-Source-Region durch den MOS-Kanal in die N--Basis-Region injiziert wird, allmählich ab, während der externe Kollektorstrom unter dem Einfluss der Lastinduktivität unverändert bleibt, sodass der Elektronenstrom und der Löcherstrom innerhalb des IGBT-Moduls von ihrem ursprünglichen Gleichgewichtszustand abweichen. Abb. 3 zeigt die Änderung der Träger im N-Basisbereich des IGBT in diesem Stadium, entsprechend der Trägerverteilung in t0-t3 in Abb. 4, in der im CSR-Bereich auf der linken Seite des N-Basisbereichs noch eine große Anzahl von Elektronen- und Lochpaaren vorhanden ist. Auf der rechten Seite der N-Basiszone befindet sich eine Raumladungszone (SCR), die keine Restladungsträger aufweist und auch als Verarmungsschicht bezeichnet wird. Beim Ausschalten des IGBT liegt in dieser Zone Spannung an, und der Elektronenstrom in der SCR-Zone nimmt allmählich ab, während der Löcherstrom allmählich zunimmt.
Wenn die Gate-Spannung des IGBT weiter auf die Schwellenspannung Vgeth abfällt, wird der interne MOS-Leitungskanal vollständig ausgeschaltet und In1 ist 0, wodurch der Basisstrom des PNP-Transistors unterbrochen wird. Der Emitter des PNP-Transistors injiziert keine Löcher mehr in die N-Basiszone. Abb. 7 entspricht t3 der Aus-Kennlinie des IGBT. Zu diesem Zeitpunkt ist der Elektronenstrom in der Raumladungszone Null, und der Laststrom wird vollständig durch den Löcherstrom Ip1 aufrechterhalten, während die Elektronen und Löcher in der CSR-Zone weiterhin vorhanden sind.
Wenn die Kollektorspannung Vce des IGBT auf die Busspannung ansteigt, fällt der Kollektorstrom schnell ab und die Abfallrate des IC wird durch die Eigenschaften des Geräts selbst bestimmt, die nicht mehr durch das Gate gesteuert werden. Abb. 8 entspricht t3-t4 in Abb. 4. Nach Abschluss dieser Phase sind noch einige Träger im CSR-Bereich übrig, und die Eliminierung der verbleibenden Träger wird hauptsächlich durch ihre Rekombinationsrate bestimmt, die äußerlich als Schleppstrom erscheint.
An diesem Punkt verstehen Sie vielleicht, dass die Steuerung der Stromabfallrate des IGBT-Kollektors durch das Gate davon abhängt, ob der vom MOS-Kanal eingespeiste Elektronenstrom in der Stromabfallphase des IGBT noch eine Rolle spielt. Hier können wir die Formel verwenden, um die Abschaltabfallrate von IGBT zu beschreiben:
Es ist nicht schwer, aus der Formel herauszufinden, dass In1 ein gewisses Mitspracherecht haben muss, um die abfallende Flanke des Kollektorstroms beim Ausschalten zu steuern. Wie können wir den Anteil des Elektronenstroms im MOS-Kanal erhöhen?
Es gibt zwei Methoden: Eine besteht darin, die Abschaltgeschwindigkeit des IGBT zu verlangsamen, und die andere besteht darin, Elektronenstrom in das Gate einzuspeisen. Derzeit finden beide Methoden gute Anwendungsmöglichkeiten bei der IGBT-Gate-Ansteuerung. Welche Möglichkeiten gibt es, die Abschaltgeschwindigkeit zu verlangsamen? Natürlich ist es möglich, den Widerstand zu erhöhen, aber die Ausschaltverzögerung oder der Ausschaltverlust ist sehr groß, was den Verlust nicht wert ist; Die andere Methode besteht darin, eine aktive Antriebstechnologie einzusetzen und Maßnahmen zu ergreifen, um die Abschaltgeschwindigkeit des IGBT nur dann zu verlangsamen, wenn der Strom des IGBT abfällt. Mit dieser Methode lässt sich ein guter Kompromiss zwischen Schaltverzögerung, Überspannung und Verlust erzielen. Der inländische digitale Treiber von Feishide verfügt über diese Funktion, sodass Interessierte mehr darüber erfahren können (hier handelt es sich nicht um Werbung, sondern um einen rein technischen Austausch)! Wie kann man dann Strom in das Gate einspeisen? Dies ist, was wir oft als Kollektorspannungs-Aktivklemmtechnologie bezeichnen.
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