מוקד שירות
מְדוֹרַאי
מְדוֹרַאי
מהו תהליך התחלופה של IGBT? (הרצאה 1)
2022-03-17
1493
אלו העוסקים באלקטרוניקת הספק עשויים להכיר את ה-IGBT. השם המלא הוא טרנזיסטור דו-קוטבי מבודד שער, שהוא התקן מוליך למחצה להספק מורכב מבוקר במלואו המורכב מ-MOS (טרנזיסטור אפקט שדה מבודד שער) ו-BJT (טרנזיסטור דו-קוטבי). הוא ידוע בכינויו "המעבד" של התקני אלקטרוניקת הספק. באמצעות אות בקרת שער של יותר מעשרה וולט, זה יכול לממש את השליטה של מתח kV וזרם kA. כתעשייה אסטרטגית מתפתחת לאומית, הוא נמצא בשימוש נרחב במעבר רכבות, רשת חכמה, חיסכון באנרגיה תעשייתית, כלי רכב חשמליים וציוד אנרגיה חדש.אבל האם אתה באמת מכיר IGBT? היום, בואו נדון בתהליך הכיבוי של IGBT. לפני שנתחיל, בואו נשאל שאלה. אתם יכולים לשקול אותה. איור 1 מציג את הקשר בין התנגדות שער הכיבוי של IGBT לבין עלייה במתח:
איור 1. הקשר בין מתח יתר של כיבוי IGBT לבין התנגדות השער [1]כאשר התנגדות ה-gate-off של IGBT עולה, האם עלייה במתח העלה? איזו מין רוח רפאים זו? האם זה שונה ממה שחשבנו?בואו נבחן את הקשר בין התנגדות הכיבוי לבין אובדן הכיבוי של IGBT. ניתן לראות באיור 2 כי להתנגדות הכיבוי של IGBT יש השפעה מועטה על אובדן הכיבוי.
משתי התמונות לעיל, נראה כי לא אידיאלי להשפיע על מאפייני הכיבוי של IGBT באמצעות התנגדות שער. אולם, זהו המצב, אז האם אין פתרון? חייבות להיות כמה שיטות, קודם תמכור בן מאסר, ואז נדבר על זה אחר כך!היום, בואו נדבר בקצרה על תהליך הכיבוי של IGBT, וננתח את הגורמים לתופעה הנ"ל מהשורש.כדי להבין את תהליך הכיבוי של IGBT, יש צורך לסקור בקצרה את עקרון הפעולה של IGBT. כפי שצוין קודם לכן, IGBT הוא התקן כוח המורכב מ-MOS ו-BJT. איור 1 מציג את המבנה הפנימי והמעגל המקביל של IGBT מסוג NPT. כולנו יודעים ש-IGBT הוא התקן דו-קוטבי, כלומר, גם אלקטרונים וגם חורים משתתפים בהולכה. בהנחה שזרם האלקטרונים הזורם דרך MOS הוא בתוך וזרם החור הזורם דרך טרנזיסטור pnp הוא Ip, זרם הקולקטור IC הזורם דרך IGBT הוא בתוך +IP.
בהתאם לעקרון העבודה של הטרנזיסטור, קיים הקשר הבא בין זרם האספן Ip לזרם הבסיס בטרנזיסטור PNP:
βpnp הוא גורם ההגברה המשותף של זרם הפולט של הטרנזיסטור, ו-αpnp הוא גורם ההגברה המשותף של זרם הבסיס של הטרנזיסטור. יש לציין כי טרנזיסטור ה-PNP בצד הקולט של IGBT שווה ערך לטרנזיסטור PNP רק במבנהו, דבר הרחוק מהטרנזיסטור המשמש בפועל להגברת זרם בביצועיו [3]. הטרנזיסטור האמיתי יכול להגביר את הזרם, כלומר, Ip>>In, בעוד שעבור IGBT, זרם האלקטרונים In שווה בעצם לזרם החור Ip.אחרי שדיברנו על טרנזיסטורים, בואו נדבר על MOS. כולנו יודעים ש-MOS הוא מכשיר מבוקר מתח. לזרם הערוץ In של MOS יש את הקשר הבא עם מתח השער בתהליך המיתוג:
בנוסחה זו, Kp הוא המקדם הקשור למבנה המכשיר ולמאפייני הנשא, ו-Vge,th הם מתחי הסף.בשלב זה, אולי יהיה ברור מעט לכולם שמה שאנו שולטים בו במתח השער של IGBT הוא למעשה ה-MOS הפנימי, המושפע ישירות מזרם האלקטרונים In, בעוד שזרם החור Ip אינו קשור ישירות למתח השער Vge.נחזור לנושא, בואו נבחן את תהליך הכיבוי של IGBT. בדרך כלל, ניתן לחלק את תהליך הכיבוי של IGBT לחמישה שלבים בהתאם למאפייניו החיצוניים, כפי שמוצג באיור הבא:
图4. IGBT关断外特性
שלב 1(t0-t1): קבל השער מתפרק, ומתח השער יורד באופן אקספוננציאלי למתח Vgep של פלטפורמת מאיטרייה. שלב 2(t1-t2): בשלב פלטפורמת מאיטרייה, מתח השער כמעט ולא משתנה, ומתח Vgep תלוי בזרם העומס. זרם השער טוען את קבל מאיטרייה, ומתח הקולקטור עולה מעט. שלב 3(t2-t3): בשלב של עליית מתח הקולקטור, מתח הקולקטור Vce של ה-IGBT עולה במהירות למתח האפיק. במקביל, מתח השער יורד מפלטפורמת מאיטרייה Vgep למתח הסף Vge,th, והשער כבוי לחלוטין. שלב 4(t3-t4): בשלב של ירידה בזרם הקולקטור, מתח הקולקטור של ה-IGBT עולה למתח האפיק Vdc, והדיודה המתאימה ל-IGBT נכנסת לשלב הולכה קדימה, וזרם העומס מועבר במהירות מה-IGBT לדיודה. הזרם של Ic יורד במהירות לזרם הנגרר, ולמתח הקולט יש חריגה מסוימת של המתח עקב קיומה של השראות תועה. שלב 5 (t4-t5): תהליך זרם נגרר, מהירות ירידת הזרם בשלב זה נקבעת בעיקר על ידי אורך חיי הגליל של המכשיר. יש אנשים שעשויים לשאול מדוע השער כבוי כאשר הזרם מתחיל לרדת. מאמרים רבים מראים שכאשר זרם הקולט של IGBT יורד ל-0, השער יכבה. לנתונים אלה אין בעיה להבין בפשטות את מאפייני המיתוג של IGBT. למען האמת, יש כמה בעיות, אבל בואו לא נסתבך יותר מדי. למעשה, קשה לנו לבדוק מתי השער של IGBT כבוי, מכיוון שאנחנו לא חוקרים מוליכים למחצה אחרי הכל, ואנחנו לא יודעים פרמטרים רבים! להלן תיאור תהליך הכיבוי של IGBT מרמת המנגנון הפנימי: ראשית, התבוננו בהתפלגות הגלילים הפנימיים לפני כיבוי ה-IGBT. איור 5 מתאים להתפלגות הגלילים הפנימיים ב-IGBT לפני t0 באיור. 4, כלומר, במצב פעיל. כאן, אנו דנים בעיקר בהתפלגות נושאי הגל באזור הבסיס N, מכיוון שמאפייני המיתוג של IGBT מושפעים בעיקר מהנושאים באזור הבסיס N. במצב פעיל, אזור הבסיס N מלא באלקטרונים ובחורים, כך שאזור זה יכול להיקרא גם אזור אחסון נושאי גלים (CSR) או פלזמה. במהלך תהליך מצב פעיל, זרם האלקטרונים וזרם החורים באזור הבסיס של IGBT הם בערך 3:1, בעיקר מכיוון שניידות האלקטרונים גדולה פי שלושה מזו של החורים באותם תנאים [4].
כאשר מופעל מתח הטיה אפס או שלילי על שער ה-IGBT, ההתקן נכנס לתהליך כיבוי. ראשית, עם ירידת מתח השער, זרם האלקטרונים המוזרק מאזור המקור N+ לאזור הבסיס N- דרך תעלת ה-MOS יורד בהדרגה, בעוד שזרם הקולט החיצוני נשאר ללא שינוי תחת השפעת השראות העומס, כך שזרם האלקטרונים וזרם החור בתוך מודול ה-IGBT יסטו ממצב שיווי המשקל המקורי שלהם. איור 3 מתאר את שינוי נושאי הגל באזור הבסיס N של IGBT בשלב זה, התואם להתפלגות נושאי הגל ב-t0-t3 באיור 4, שבו מספר רב של זוגות אלקטרונים וחורים עדיין קיימים באזור CSR בצד שמאל של אזור הבסיס N. בצד ימין של אזור הבסיס N, ישנו אזור מטען חלל (SCR), שאין בו נושאי מטען שיוריים וניתן לכנותו גם שכבת דלדול. במהלך כיבוי ה-IGBT, אזור זה נושא מתח, וזרם האלקטרונים באזור ה-SCR יורד בהדרגה, בעוד שזרם החור עולה בהדרגה.
כאשר מתח השער של ה-IGBT ממשיך לרדת למתח הסף Vgeth, ערוץ ההולכה הפנימי של ה-MOS כבוי לחלוטין, ו-In1 הוא 0, מה שמנתק את זרם הבסיס של טרנזיסטור ה-PNP. הפולט של טרנזיסטור PNP לא יזריק עוד חורים לאזור הבסיס N. איור 7 מתאים ל-t3 של המאפיין המופרז של IGBT. בשלב זה, זרם האלקטרונים באזור המטען בחלל הוא אפס, וזרם העומס נשמר לחלוטין על ידי זרם החורים Ip1, בעוד שהאלקטרונים והחורים באזור CSR עדיין קיימים.
כאשר מתח הקולט Vce של ה-IGBT עולה למתח האפיק, זרם הקולט יורד במהירות, וקצב הירידה של ה-IC נקבע על ידי מאפייני ההתקן עצמו, אשר לא יהיו נשלטים עוד על ידי השער. איור 8 מתאים ל-t3-t4 באיור. 4. לאחר השלמת שלב זה, עדיין נותרו מספר נשאים באזור אחריות אחריות, וסילוק הנשאים הנותרים נקבע בעיקר על פי קצב הרקומבינציה שלהם, המופיע כזרם נגרר כלפי חוץ.
בנקודה זו, ייתכן שתבין שהשאלה האם ניתן לשלוט בקצב ירידת הזרם של קולט ה-IGBT על ידי השער תלויה בשאלה האם זרם האלקטרונים המוזרק על ידי ערוץ ה-MOS עדיין משחק תפקיד בשלב ירידת הזרם של ה-IGBT. כאן נוכל להשתמש בנוסחה כדי לתאר את קצב הירידה בכיבוי של IGBT:
לא קשה לגלות מהנוסחה ש-In1 חייבת להיות בעלת זכות דיבור מסוימת כדי לשלוט בשיפוע הנפילה של זרם הקולט כשהוא כבוי. כיצד נוכל להגדיל את שיעור זרם האלקטרונים של ערוץ MOS?
ישנן שתי שיטות, האחת היא להאט את מהירות הכיבוי של IGBT, והשנייה היא להזריק זרם אלקטרונים לתוך השער. נכון לעכשיו, לשתי השיטות יש יישומים טובים בהנעת שער IGBT. מהן הדרכים להאט את מהירות הכיבוי? כמובן, אפשר להגביר את ההתנגדות, אבל עיכוב הכיבוי או ההפסד גדול מאוד, וזה לא שווה את ההפסד; השיטה השנייה היא לאמץ טכנולוגיית הנעה אקטיבית, ולנקוט צעדים להאטת מהירות הכיבוי של IGBT רק כאשר זרם ה-IGBT יורד. שיטה זו יכולה להשיג פשרה טובה בין השהיית מיתוג, מתח יתר והפסד. לנהג הדיגיטלי המקומי של Feishide יש את הפונקציה הזו, כך שמי שמעוניין יכול ללמוד על זה (זה לא פרסום כאן, זה רק החלפה טכנית)! אז איך להזריק זרם לשער? זוהי מה שאנו מכנים לעתים קרובות טכנולוגיית הידוק פעיל של מתח קולט.
איור 1. הקשר בין מתח יתר של כיבוי IGBT לבין התנגדות השער [1]כאשר התנגדות ה-gate-off של IGBT עולה, האם עלייה במתח העלה? איזו מין רוח רפאים זו? האם זה שונה ממה שחשבנו?בואו נבחן את הקשר בין התנגדות הכיבוי לבין אובדן הכיבוי של IGBT. ניתן לראות באיור 2 כי להתנגדות הכיבוי של IGBT יש השפעה מועטה על אובדן הכיבוי.
משתי התמונות לעיל, נראה כי לא אידיאלי להשפיע על מאפייני הכיבוי של IGBT באמצעות התנגדות שער. אולם, זהו המצב, אז האם אין פתרון? חייבות להיות כמה שיטות, קודם תמכור בן מאסר, ואז נדבר על זה אחר כך!היום, בואו נדבר בקצרה על תהליך הכיבוי של IGBT, וננתח את הגורמים לתופעה הנ"ל מהשורש.כדי להבין את תהליך הכיבוי של IGBT, יש צורך לסקור בקצרה את עקרון הפעולה של IGBT. כפי שצוין קודם לכן, IGBT הוא התקן כוח המורכב מ-MOS ו-BJT. איור 1 מציג את המבנה הפנימי והמעגל המקביל של IGBT מסוג NPT. כולנו יודעים ש-IGBT הוא התקן דו-קוטבי, כלומר, גם אלקטרונים וגם חורים משתתפים בהולכה. בהנחה שזרם האלקטרונים הזורם דרך MOS הוא בתוך וזרם החור הזורם דרך טרנזיסטור pnp הוא Ip, זרם הקולקטור IC הזורם דרך IGBT הוא בתוך +IP.
בהתאם לעקרון העבודה של הטרנזיסטור, קיים הקשר הבא בין זרם האספן Ip לזרם הבסיס בטרנזיסטור PNP:
βpnp הוא גורם ההגברה המשותף של זרם הפולט של הטרנזיסטור, ו-αpnp הוא גורם ההגברה המשותף של זרם הבסיס של הטרנזיסטור. יש לציין כי טרנזיסטור ה-PNP בצד הקולט של IGBT שווה ערך לטרנזיסטור PNP רק במבנהו, דבר הרחוק מהטרנזיסטור המשמש בפועל להגברת זרם בביצועיו [3]. הטרנזיסטור האמיתי יכול להגביר את הזרם, כלומר, Ip>>In, בעוד שעבור IGBT, זרם האלקטרונים In שווה בעצם לזרם החור Ip.אחרי שדיברנו על טרנזיסטורים, בואו נדבר על MOS. כולנו יודעים ש-MOS הוא מכשיר מבוקר מתח. לזרם הערוץ In של MOS יש את הקשר הבא עם מתח השער בתהליך המיתוג:
בנוסחה זו, Kp הוא המקדם הקשור למבנה המכשיר ולמאפייני הנשא, ו-Vge,th הם מתחי הסף.בשלב זה, אולי יהיה ברור מעט לכולם שמה שאנו שולטים בו במתח השער של IGBT הוא למעשה ה-MOS הפנימי, המושפע ישירות מזרם האלקטרונים In, בעוד שזרם החור Ip אינו קשור ישירות למתח השער Vge.נחזור לנושא, בואו נבחן את תהליך הכיבוי של IGBT. בדרך כלל, ניתן לחלק את תהליך הכיבוי של IGBT לחמישה שלבים בהתאם למאפייניו החיצוניים, כפי שמוצג באיור הבא:
图4. IGBT关断外特性שלב 1(t0-t1): קבל השער מתפרק, ומתח השער יורד באופן אקספוננציאלי למתח Vgep של פלטפורמת מאיטרייה. שלב 2(t1-t2): בשלב פלטפורמת מאיטרייה, מתח השער כמעט ולא משתנה, ומתח Vgep תלוי בזרם העומס. זרם השער טוען את קבל מאיטרייה, ומתח הקולקטור עולה מעט. שלב 3(t2-t3): בשלב של עליית מתח הקולקטור, מתח הקולקטור Vce של ה-IGBT עולה במהירות למתח האפיק. במקביל, מתח השער יורד מפלטפורמת מאיטרייה Vgep למתח הסף Vge,th, והשער כבוי לחלוטין. שלב 4(t3-t4): בשלב של ירידה בזרם הקולקטור, מתח הקולקטור של ה-IGBT עולה למתח האפיק Vdc, והדיודה המתאימה ל-IGBT נכנסת לשלב הולכה קדימה, וזרם העומס מועבר במהירות מה-IGBT לדיודה. הזרם של Ic יורד במהירות לזרם הנגרר, ולמתח הקולט יש חריגה מסוימת של המתח עקב קיומה של השראות תועה. שלב 5 (t4-t5): תהליך זרם נגרר, מהירות ירידת הזרם בשלב זה נקבעת בעיקר על ידי אורך חיי הגליל של המכשיר. יש אנשים שעשויים לשאול מדוע השער כבוי כאשר הזרם מתחיל לרדת. מאמרים רבים מראים שכאשר זרם הקולט של IGBT יורד ל-0, השער יכבה. לנתונים אלה אין בעיה להבין בפשטות את מאפייני המיתוג של IGBT. למען האמת, יש כמה בעיות, אבל בואו לא נסתבך יותר מדי. למעשה, קשה לנו לבדוק מתי השער של IGBT כבוי, מכיוון שאנחנו לא חוקרים מוליכים למחצה אחרי הכל, ואנחנו לא יודעים פרמטרים רבים! להלן תיאור תהליך הכיבוי של IGBT מרמת המנגנון הפנימי: ראשית, התבוננו בהתפלגות הגלילים הפנימיים לפני כיבוי ה-IGBT. איור 5 מתאים להתפלגות הגלילים הפנימיים ב-IGBT לפני t0 באיור. 4, כלומר, במצב פעיל. כאן, אנו דנים בעיקר בהתפלגות נושאי הגל באזור הבסיס N, מכיוון שמאפייני המיתוג של IGBT מושפעים בעיקר מהנושאים באזור הבסיס N. במצב פעיל, אזור הבסיס N מלא באלקטרונים ובחורים, כך שאזור זה יכול להיקרא גם אזור אחסון נושאי גלים (CSR) או פלזמה. במהלך תהליך מצב פעיל, זרם האלקטרונים וזרם החורים באזור הבסיס של IGBT הם בערך 3:1, בעיקר מכיוון שניידות האלקטרונים גדולה פי שלושה מזו של החורים באותם תנאים [4].
כאשר מופעל מתח הטיה אפס או שלילי על שער ה-IGBT, ההתקן נכנס לתהליך כיבוי. ראשית, עם ירידת מתח השער, זרם האלקטרונים המוזרק מאזור המקור N+ לאזור הבסיס N- דרך תעלת ה-MOS יורד בהדרגה, בעוד שזרם הקולט החיצוני נשאר ללא שינוי תחת השפעת השראות העומס, כך שזרם האלקטרונים וזרם החור בתוך מודול ה-IGBT יסטו ממצב שיווי המשקל המקורי שלהם. איור 3 מתאר את שינוי נושאי הגל באזור הבסיס N של IGBT בשלב זה, התואם להתפלגות נושאי הגל ב-t0-t3 באיור 4, שבו מספר רב של זוגות אלקטרונים וחורים עדיין קיימים באזור CSR בצד שמאל של אזור הבסיס N. בצד ימין של אזור הבסיס N, ישנו אזור מטען חלל (SCR), שאין בו נושאי מטען שיוריים וניתן לכנותו גם שכבת דלדול. במהלך כיבוי ה-IGBT, אזור זה נושא מתח, וזרם האלקטרונים באזור ה-SCR יורד בהדרגה, בעוד שזרם החור עולה בהדרגה.
כאשר מתח השער של ה-IGBT ממשיך לרדת למתח הסף Vgeth, ערוץ ההולכה הפנימי של ה-MOS כבוי לחלוטין, ו-In1 הוא 0, מה שמנתק את זרם הבסיס של טרנזיסטור ה-PNP. הפולט של טרנזיסטור PNP לא יזריק עוד חורים לאזור הבסיס N. איור 7 מתאים ל-t3 של המאפיין המופרז של IGBT. בשלב זה, זרם האלקטרונים באזור המטען בחלל הוא אפס, וזרם העומס נשמר לחלוטין על ידי זרם החורים Ip1, בעוד שהאלקטרונים והחורים באזור CSR עדיין קיימים.
כאשר מתח הקולט Vce של ה-IGBT עולה למתח האפיק, זרם הקולט יורד במהירות, וקצב הירידה של ה-IC נקבע על ידי מאפייני ההתקן עצמו, אשר לא יהיו נשלטים עוד על ידי השער. איור 8 מתאים ל-t3-t4 באיור. 4. לאחר השלמת שלב זה, עדיין נותרו מספר נשאים באזור אחריות אחריות, וסילוק הנשאים הנותרים נקבע בעיקר על פי קצב הרקומבינציה שלהם, המופיע כזרם נגרר כלפי חוץ.
בנקודה זו, ייתכן שתבין שהשאלה האם ניתן לשלוט בקצב ירידת הזרם של קולט ה-IGBT על ידי השער תלויה בשאלה האם זרם האלקטרונים המוזרק על ידי ערוץ ה-MOS עדיין משחק תפקיד בשלב ירידת הזרם של ה-IGBT. כאן נוכל להשתמש בנוסחה כדי לתאר את קצב הירידה בכיבוי של IGBT:
לא קשה לגלות מהנוסחה ש-In1 חייבת להיות בעלת זכות דיבור מסוימת כדי לשלוט בשיפוע הנפילה של זרם הקולט כשהוא כבוי. כיצד נוכל להגדיל את שיעור זרם האלקטרונים של ערוץ MOS?
ישנן שתי שיטות, האחת היא להאט את מהירות הכיבוי של IGBT, והשנייה היא להזריק זרם אלקטרונים לתוך השער. נכון לעכשיו, לשתי השיטות יש יישומים טובים בהנעת שער IGBT. מהן הדרכים להאט את מהירות הכיבוי? כמובן, אפשר להגביר את ההתנגדות, אבל עיכוב הכיבוי או ההפסד גדול מאוד, וזה לא שווה את ההפסד; השיטה השנייה היא לאמץ טכנולוגיית הנעה אקטיבית, ולנקוט צעדים להאטת מהירות הכיבוי של IGBT רק כאשר זרם ה-IGBT יורד. שיטה זו יכולה להשיג פשרה טובה בין השהיית מיתוג, מתח יתר והפסד. לנהג הדיגיטלי המקומי של Feishide יש את הפונקציה הזו, כך שמי שמעוניין יכול ללמוד על זה (זה לא פרסום כאן, זה רק החלפה טכנית)! אז איך להזריק זרם לשער? זוהי מה שאנו מכנים לעתים קרובות טכנולוגיית הידוק פעיל של מתח קולט.
כתב ויתור: מאמר זה משוכפל מ"המשרד למודיעין מוליכים למחצה לרכב". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, ואינו מייצג את דעותיהם של Sacco Micro והתעשייה. זה מיועד רק להדפסה מחדש ולשיתוף כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציינו את המקור והמחבר המקורי בעת ההדפסה מחדש. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.
טל' חברה: +86-0755-83044319
פקס/פקס:+86-0755-83975897
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי
QQ: 332496225 מנהל Qiu
כתובת: חדר 809, בלוק C, בניין Zhantao Technology, מס' 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, שנזן
המלצות קשורות
粤公网安备44030002007346号