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¿Qué es el proceso de rotación de IGBT? (Conferencia 1)
2022-03-17
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Quienes se dedican a la electrónica de potencia pueden estar familiarizados con el IGBT. Su nombre completo es transistor bipolar de puerta aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), que es un dispositivo semiconductor de potencia compuesto y totalmente controlado por un transistor de efecto de campo de puerta aislada (MOS) y un transistor bipolar (BJT). Se le conoce comúnmente como la "CPU" de los dispositivos electrónicos de potencia. Mediante una señal de control de puerta de más de diez voltios, Puede realizar el control de voltaje kV y corriente kA. Como industria emergente estratégica nacional, se utiliza ampliamente en tránsito ferroviario, redes inteligentes, ahorro de energía industrial, vehículos eléctricos y nuevos equipos energéticos.¿Pero realmente conoces el IGBT? Hoy, analizaremos el proceso de apagado de los IGBT. Antes de empezar, planteemos una pregunta. Puede considerarla. La Figura 1 muestra la relación entre la resistencia de la compuerta de apagado de los IGBT y el pico de tensión:
Figura 1. Relación entre la sobretensión de apagado del IGBT y la resistencia de compuerta [1]Cuando aumenta la resistencia de compuerta del IGBT, ¿aumentará el pico de voltaje? ¿Qué tipo de fantasma es este? ¿Es diferente de lo que pensábamos?Analicemos la relación entre la resistencia de apagado y la pérdida de apagado del IGBT. La Figura 2 muestra que la resistencia de apagado del IGBT tiene poco efecto en la pérdida de apagado.
De las dos imágenes anteriores, parece que no es ideal influir en las características de apagado del IGBT mediante la resistencia de compuerta. Sin embargo, dado el caso, ¿no hay solución? Debe haber algunos métodos, primero vender a un hijo encarcelado y luego hablaremos de eso más tarde.Hoy, hablemos brevemente sobre el proceso de apagado de IGBT y analicemos las causas del fenómeno mencionado desde la raíz.Para comprender el proceso de apagado de un IGBT, es necesario repasar brevemente su principio de funcionamiento. Como se mencionó anteriormente, un IGBT es un dispositivo de potencia compuesto por transistores MOSFET y transistores BJT. La Figura 1 muestra la estructura interna y el circuito equivalente de un IGBT NPT. Todos sabemos que el IGBT es un dispositivo bipolar, es decir, tanto los electrones como los huecos participan en la conducción. Suponiendo que la corriente de electrones que fluye a través de MOS es in y la corriente de huecos que fluye a través del transistor pnp es Ip, la corriente de colector IC que fluye a través de IGBT es in+IP.
Según el principio de funcionamiento del transistor, existe la siguiente relación entre la corriente del colector Ip y la corriente de base del transistor PNP:
βpnp es el factor de amplificación de corriente del emisor común del transistor y αpnp es el factor de amplificación de corriente de base común del transistor. Se debe tener en cuenta que el transistor PNP en el lado del colector del IGBT solo es equivalente al transistor PNP en estructura, lo que está lejos del transistor realmente utilizado para la amplificación de corriente en rendimiento [3]. El transistor real puede amplificar la corriente, es decir, Ip >> In, mientras que para IGBT, la corriente de electrones In es básicamente igual a la corriente de huecos Ip.Después de hablar de transistores, hablemos de MOS. Todos sabemos que MOS es un dispositivo controlado por voltaje. La corriente del canal In de MOS tiene la siguiente relación con el voltaje de la puerta en el proceso de conmutación:
En esta fórmula, Kp es el coeficiente relacionado con la estructura del dispositivo y las características de la portadora, y Vge,th son los voltajes umbral.En este punto, puede que esté un poco claro para todos que lo que controlamos, el voltaje de puerta del IGBT, es en realidad el MOS interno, que se ve afectado directamente por la corriente de electrones In, mientras que la corriente de huecos Ip no está directamente relacionada con el voltaje de puerta Vge.Volviendo al tema, analicemos el proceso de apagado del IGBT. Generalmente, este proceso se divide en cinco etapas según sus características externas, como se muestra en la siguiente figura:
图4. IGBT关断外特性
Etapa 1(t0-t1): el condensador de compuerta se descarga y el voltaje de compuerta cae exponencialmente al voltaje de la plataforma Maitreya Vgep. Etapa 2(t1-t2): en la etapa de la plataforma Maitreya, el voltaje de compuerta permanece básicamente sin cambios y el voltaje Vgep depende de la corriente de carga. La corriente de compuerta carga el condensador Maitreya y el voltaje del colector aumenta ligeramente. Etapa 3(t2-t3): en la etapa de aumento del voltaje del colector, el voltaje del colector Vce del IGBT aumenta rápidamente al voltaje del bus. Al mismo tiempo, el voltaje de compuerta cae desde la plataforma Maitreya Vgep al voltaje umbral Vge,th y la compuerta se apaga completamente. Etapa 4(t3-t4): en la etapa de disminución de la corriente del colector, el voltaje del colector del IGBT ha aumentado al voltaje del bus Vdc y el diodo correspondiente al IGBT ingresa a la etapa de conducción directa y la corriente de carga se transfiere rápidamente del IGBT al diodo. La corriente de Ic cae rápidamente a la corriente de arrastre, y el voltaje del colector tiene un cierto sobreimpulso de voltaje debido a la existencia de inductancia parásita. Etapa 5 (t4-t5): Proceso de corriente de arrastre, la velocidad de disminución de la corriente en esta etapa está determinada principalmente por la vida útil del portador del dispositivo. Algunas personas pueden preguntar por qué la compuerta se apaga cuando la corriente comienza a caer. Muchos artículos muestran que cuando la corriente del colector del IGBT cae a 0, la compuerta se apagará. Estas cifras no tienen problema en la simple comprensión de las características de conmutación del IGBT. Estrictamente hablando, hay algunos problemas, pero no nos enredemos demasiado. De hecho, es difícil para nosotros probar cuándo la compuerta del IGBT está apagada, porque después de todo no estamos estudiando semiconductores, ¡y no conocemos muchos parámetros! Lo siguiente describe el proceso de apagado del IGBT desde el nivel del mecanismo interno: Primero, observe la distribución de los portadores internos antes de que se apague el IGBT. La figura 5 corresponde a la distribución de portadores internos en el IGBT antes de t0 en la figura 4, es decir, en estado activado. Aquí, analizamos principalmente la distribución de portadores en la región de base N, ya que las características de conmutación del IGBT se ven afectadas principalmente por los portadores en dicha región. En estado activado, la región de base N está llena de electrones y huecos, por lo que esta región también puede denominarse Región de Almacenamiento de Portadores (CSR) o Plasma. Durante el proceso en estado activado, la corriente de electrones y la corriente de huecos en la región de base del IGBT son aproximadamente 3:1, principalmente porque la movilidad de los electrones es tres veces mayor que la de los huecos en las mismas condiciones [4].
Cuando se aplica un voltaje de polarización cero o negativo a la puerta del IGBT, el dispositivo ingresa al proceso de apagado. En primer lugar, con la disminución del voltaje de compuerta, la corriente de electrones inyectada desde la región de fuente N+ a la región de base N- a través del canal MOS disminuye gradualmente, mientras que la corriente del colector externo permanece sin cambios bajo la influencia de la inductancia de carga, por lo que la corriente de electrones y la corriente de hueco dentro del módulo IGBT se desviarán de su estado de equilibrio original. La figura 3 representa el cambio de portadores en la región de base N del IGBT en esta etapa, correspondiente a la distribución de portadores en t0-t3 en la figura 4, en la que todavía existe una gran cantidad de pares de electrones y huecos en la región CSR en el lado izquierdo de la región de base N. A la derecha de la región de base N, se encuentra la Región de Carga Espacial (SCR), sin portadores residuales, también denominada capa de agotamiento. Durante el apagado del IGBT, esta región transporta voltaje, y la corriente de electrones en la región SCR disminuye gradualmente, mientras que la corriente de huecos aumenta gradualmente.
Cuando el voltaje de compuerta del IGBT continúa disminuyendo hasta el voltaje de umbral Vgeth, el canal de conducción MOS interno se apaga completamente y In1 es 0, lo que corta la corriente de base del transistor PNP. El emisor del transistor PNP ya no inyecta huecos en la región de base N. La figura 7 corresponde al t3 de la característica fuera de línea del IGBT. En este momento, la corriente de electrones en la región de carga espacial es cero, y la corriente de carga se mantiene completamente gracias a la corriente de huecos Ip1, mientras que los electrones y huecos en la región CSR permanecen.
Cuando el voltaje del colector Vce del IGBT aumenta al voltaje del bus, la corriente del colector cae rápidamente y la tasa de caída del IC está determinada por las características del dispositivo en sí, que ya no estará controlada por la puerta. La Fig. 8 corresponde a t3-t4 en la fig. 4. Una vez completada esta etapa, todavía quedan algunos portadores en el área de CSR, y la eliminación de los portadores restantes está determinada principalmente por su tasa de recombinación, que aparece como corriente de arrastre externamente.
En este punto, puedes entender que si la tasa de caída de corriente del colector IGBT puede ser controlada por la compuerta depende de si la corriente de electrones inyectada por el canal MOS todavía juega un papel en la etapa de caída de corriente IGBT. Aquí podemos utilizar la fórmula para describir la tasa de disminución del apagado del IGBT:
No es difícil descubrir a partir de la fórmula que In1 debe tener cierto derecho a hablar para poder controlar la pendiente descendente de la corriente del colector cuando está apagado. ¿Cómo podemos aumentar la proporción de corriente de electrones del canal MOS?
Hay dos métodos, uno es reducir la velocidad de apagado del IGBT y el otro es inyectar corriente de electrones en la puerta. En la actualidad, ambos métodos tienen buenas aplicaciones en el control de compuerta IGBT. ¿Cuáles son las formas de reducir la velocidad de apagado? Por supuesto, es posible aumentar la resistencia, pero el retraso o la pérdida de apagado es muy grande, lo que no vale la pena; El otro método consiste en adoptar tecnología de accionamiento activo y tomar medidas para reducir la velocidad de apagado del IGBT solo cuando su corriente disminuye. Este método permite lograr un buen equilibrio entre el retardo de conmutación, la sobretensión y la pérdida. El controlador digital doméstico Feishide tiene esta función, por lo que aquellos que estén interesados pueden conocerlo (aquí no es publicidad, es un intercambio puramente técnico). Entonces, ¿cómo inyectar corriente en la puerta? Esto es lo que a menudo llamamos tecnología de sujeción activa de voltaje del colector.
Figura 1. Relación entre la sobretensión de apagado del IGBT y la resistencia de compuerta [1]Cuando aumenta la resistencia de compuerta del IGBT, ¿aumentará el pico de voltaje? ¿Qué tipo de fantasma es este? ¿Es diferente de lo que pensábamos?Analicemos la relación entre la resistencia de apagado y la pérdida de apagado del IGBT. La Figura 2 muestra que la resistencia de apagado del IGBT tiene poco efecto en la pérdida de apagado.
De las dos imágenes anteriores, parece que no es ideal influir en las características de apagado del IGBT mediante la resistencia de compuerta. Sin embargo, dado el caso, ¿no hay solución? Debe haber algunos métodos, primero vender a un hijo encarcelado y luego hablaremos de eso más tarde.Hoy, hablemos brevemente sobre el proceso de apagado de IGBT y analicemos las causas del fenómeno mencionado desde la raíz.Para comprender el proceso de apagado de un IGBT, es necesario repasar brevemente su principio de funcionamiento. Como se mencionó anteriormente, un IGBT es un dispositivo de potencia compuesto por transistores MOSFET y transistores BJT. La Figura 1 muestra la estructura interna y el circuito equivalente de un IGBT NPT. Todos sabemos que el IGBT es un dispositivo bipolar, es decir, tanto los electrones como los huecos participan en la conducción. Suponiendo que la corriente de electrones que fluye a través de MOS es in y la corriente de huecos que fluye a través del transistor pnp es Ip, la corriente de colector IC que fluye a través de IGBT es in+IP.
Según el principio de funcionamiento del transistor, existe la siguiente relación entre la corriente del colector Ip y la corriente de base del transistor PNP:
βpnp es el factor de amplificación de corriente del emisor común del transistor y αpnp es el factor de amplificación de corriente de base común del transistor. Se debe tener en cuenta que el transistor PNP en el lado del colector del IGBT solo es equivalente al transistor PNP en estructura, lo que está lejos del transistor realmente utilizado para la amplificación de corriente en rendimiento [3]. El transistor real puede amplificar la corriente, es decir, Ip >> In, mientras que para IGBT, la corriente de electrones In es básicamente igual a la corriente de huecos Ip.Después de hablar de transistores, hablemos de MOS. Todos sabemos que MOS es un dispositivo controlado por voltaje. La corriente del canal In de MOS tiene la siguiente relación con el voltaje de la puerta en el proceso de conmutación:
En esta fórmula, Kp es el coeficiente relacionado con la estructura del dispositivo y las características de la portadora, y Vge,th son los voltajes umbral.En este punto, puede que esté un poco claro para todos que lo que controlamos, el voltaje de puerta del IGBT, es en realidad el MOS interno, que se ve afectado directamente por la corriente de electrones In, mientras que la corriente de huecos Ip no está directamente relacionada con el voltaje de puerta Vge.Volviendo al tema, analicemos el proceso de apagado del IGBT. Generalmente, este proceso se divide en cinco etapas según sus características externas, como se muestra en la siguiente figura:
图4. IGBT关断外特性Etapa 1(t0-t1): el condensador de compuerta se descarga y el voltaje de compuerta cae exponencialmente al voltaje de la plataforma Maitreya Vgep. Etapa 2(t1-t2): en la etapa de la plataforma Maitreya, el voltaje de compuerta permanece básicamente sin cambios y el voltaje Vgep depende de la corriente de carga. La corriente de compuerta carga el condensador Maitreya y el voltaje del colector aumenta ligeramente. Etapa 3(t2-t3): en la etapa de aumento del voltaje del colector, el voltaje del colector Vce del IGBT aumenta rápidamente al voltaje del bus. Al mismo tiempo, el voltaje de compuerta cae desde la plataforma Maitreya Vgep al voltaje umbral Vge,th y la compuerta se apaga completamente. Etapa 4(t3-t4): en la etapa de disminución de la corriente del colector, el voltaje del colector del IGBT ha aumentado al voltaje del bus Vdc y el diodo correspondiente al IGBT ingresa a la etapa de conducción directa y la corriente de carga se transfiere rápidamente del IGBT al diodo. La corriente de Ic cae rápidamente a la corriente de arrastre, y el voltaje del colector tiene un cierto sobreimpulso de voltaje debido a la existencia de inductancia parásita. Etapa 5 (t4-t5): Proceso de corriente de arrastre, la velocidad de disminución de la corriente en esta etapa está determinada principalmente por la vida útil del portador del dispositivo. Algunas personas pueden preguntar por qué la compuerta se apaga cuando la corriente comienza a caer. Muchos artículos muestran que cuando la corriente del colector del IGBT cae a 0, la compuerta se apagará. Estas cifras no tienen problema en la simple comprensión de las características de conmutación del IGBT. Estrictamente hablando, hay algunos problemas, pero no nos enredemos demasiado. De hecho, es difícil para nosotros probar cuándo la compuerta del IGBT está apagada, porque después de todo no estamos estudiando semiconductores, ¡y no conocemos muchos parámetros! Lo siguiente describe el proceso de apagado del IGBT desde el nivel del mecanismo interno: Primero, observe la distribución de los portadores internos antes de que se apague el IGBT. La figura 5 corresponde a la distribución de portadores internos en el IGBT antes de t0 en la figura 4, es decir, en estado activado. Aquí, analizamos principalmente la distribución de portadores en la región de base N, ya que las características de conmutación del IGBT se ven afectadas principalmente por los portadores en dicha región. En estado activado, la región de base N está llena de electrones y huecos, por lo que esta región también puede denominarse Región de Almacenamiento de Portadores (CSR) o Plasma. Durante el proceso en estado activado, la corriente de electrones y la corriente de huecos en la región de base del IGBT son aproximadamente 3:1, principalmente porque la movilidad de los electrones es tres veces mayor que la de los huecos en las mismas condiciones [4].
Cuando se aplica un voltaje de polarización cero o negativo a la puerta del IGBT, el dispositivo ingresa al proceso de apagado. En primer lugar, con la disminución del voltaje de compuerta, la corriente de electrones inyectada desde la región de fuente N+ a la región de base N- a través del canal MOS disminuye gradualmente, mientras que la corriente del colector externo permanece sin cambios bajo la influencia de la inductancia de carga, por lo que la corriente de electrones y la corriente de hueco dentro del módulo IGBT se desviarán de su estado de equilibrio original. La figura 3 representa el cambio de portadores en la región de base N del IGBT en esta etapa, correspondiente a la distribución de portadores en t0-t3 en la figura 4, en la que todavía existe una gran cantidad de pares de electrones y huecos en la región CSR en el lado izquierdo de la región de base N. A la derecha de la región de base N, se encuentra la Región de Carga Espacial (SCR), sin portadores residuales, también denominada capa de agotamiento. Durante el apagado del IGBT, esta región transporta voltaje, y la corriente de electrones en la región SCR disminuye gradualmente, mientras que la corriente de huecos aumenta gradualmente.
Cuando el voltaje de compuerta del IGBT continúa disminuyendo hasta el voltaje de umbral Vgeth, el canal de conducción MOS interno se apaga completamente y In1 es 0, lo que corta la corriente de base del transistor PNP. El emisor del transistor PNP ya no inyecta huecos en la región de base N. La figura 7 corresponde al t3 de la característica fuera de línea del IGBT. En este momento, la corriente de electrones en la región de carga espacial es cero, y la corriente de carga se mantiene completamente gracias a la corriente de huecos Ip1, mientras que los electrones y huecos en la región CSR permanecen.
Cuando el voltaje del colector Vce del IGBT aumenta al voltaje del bus, la corriente del colector cae rápidamente y la tasa de caída del IC está determinada por las características del dispositivo en sí, que ya no estará controlada por la puerta. La Fig. 8 corresponde a t3-t4 en la fig. 4. Una vez completada esta etapa, todavía quedan algunos portadores en el área de CSR, y la eliminación de los portadores restantes está determinada principalmente por su tasa de recombinación, que aparece como corriente de arrastre externamente.
En este punto, puedes entender que si la tasa de caída de corriente del colector IGBT puede ser controlada por la compuerta depende de si la corriente de electrones inyectada por el canal MOS todavía juega un papel en la etapa de caída de corriente IGBT. Aquí podemos utilizar la fórmula para describir la tasa de disminución del apagado del IGBT:
No es difícil descubrir a partir de la fórmula que In1 debe tener cierto derecho a hablar para poder controlar la pendiente descendente de la corriente del colector cuando está apagado. ¿Cómo podemos aumentar la proporción de corriente de electrones del canal MOS?
Hay dos métodos, uno es reducir la velocidad de apagado del IGBT y el otro es inyectar corriente de electrones en la puerta. En la actualidad, ambos métodos tienen buenas aplicaciones en el control de compuerta IGBT. ¿Cuáles son las formas de reducir la velocidad de apagado? Por supuesto, es posible aumentar la resistencia, pero el retraso o la pérdida de apagado es muy grande, lo que no vale la pena; El otro método consiste en adoptar tecnología de accionamiento activo y tomar medidas para reducir la velocidad de apagado del IGBT solo cuando su corriente disminuye. Este método permite lograr un buen equilibrio entre el retardo de conmutación, la sobretensión y la pérdida. El controlador digital doméstico Feishide tiene esta función, por lo que aquellos que estén interesados pueden conocerlo (aquí no es publicidad, es un intercambio puramente técnico). Entonces, ¿cómo inyectar corriente en la puerta? Esto es lo que a menudo llamamos tecnología de sujeción activa de voltaje del colector.
Descargo de responsabilidad: este artículo es una reproducción de "Automotive Semiconductor Intelligence Bureau". Este artículo solo representa los puntos de vista personales del autor y no representa los puntos de vista de Sacco Micro y la industria. Es sólo para reimprimir y compartir para apoyar la protección de los derechos de propiedad intelectual. Indique la fuente original y el autor al reimprimir. Si hay alguna infracción, contáctenos para eliminarla.
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