Chi si occupa di elettronica di potenza potrebbe avere familiarità con gli IGBT. Il nome completo è Insulated Gate Bipolar Transistor, un dispositivo semiconduttore di potenza composito completamente controllato, composto da MOS (Insulated Gate Field Effect Transistor) e BJT (Bipolar Transistor). È comunemente noto come "CPU" dei dispositivi elettronici di potenza. Attraverso un segnale di controllo del gate di oltre dieci volt, Può realizzare il controllo della tensione kV e della corrente kA. Essendo un settore emergente strategico nazionale, è ampiamente utilizzato nel trasporto ferroviario, nelle reti intelligenti, nel risparmio energetico industriale, nei veicoli elettrici e nelle nuove apparecchiature energetiche.Ma conosci davvero l'IGBT? Oggi parliamo del processo di spegnimento degli IGBT. Prima di iniziare, poniamo una domanda. Potete considerarla. La Figura 1 mostra la relazione tra la resistenza di gate di spegnimento degli IGBT e il picco di tensione:
 
Figura 1. Relazione tra la sovratensione di spegnimento dell'IGBT e la resistenza del gate [1]Quando la resistenza di gate off dell'IGBT aumenta, il picco di tensione aumenterà? Che razza di fantasma è questo? È diverso da quello che pensavamo?Diamo un'occhiata alla relazione tra la resistenza di spegnimento e la perdita di spegnimento dell'IGBT. Dalla Figura 2 si può osservare che la resistenza di spegnimento dell'IGBT ha un effetto minimo sulla perdita di spegnimento.
 

 Dalle due immagini sopra, sembra che non sia la soluzione ideale influenzare le caratteristiche di spegnimento dell'IGBT tramite la resistenza di gate. Tuttavia, dato che è così, non esiste una soluzione? Ci devono essere dei metodi, prima vendere un figlio imprigionato, e poi ne parleremo più tardi!Oggi parleremo brevemente del processo di spegnimento dell'IGBT e analizzeremo alla radice le cause del fenomeno sopra descritto.Per comprendere il processo di spegnimento di un IGBT, è necessario ripassare brevemente il principio di funzionamento. Come accennato in precedenza, l'IGBT è un dispositivo di potenza composto da MOS e BJT. La Figura 1 mostra la struttura interna e il circuito equivalente dell'IGBT NPT. Sappiamo tutti che l'IGBT è un dispositivo bipolare, ovvero sia gli elettroni che le lacune partecipano alla conduzione. Supponendo che la corrente degli elettroni che scorre attraverso il MOS sia in e la corrente delle lacune che scorre attraverso il transistor pnp sia Ip, la corrente del collettore IC che scorre attraverso l'IGBT è in+IP.  
 

 
 Secondo il principio di funzionamento del transistor, tra la corrente di collettore Ip e la corrente di base in del transistor PNP esiste la seguente relazione: 

  βpnp è il fattore di amplificazione della corrente di emettitore comune del transistor e αpnp è il fattore di amplificazione della corrente di base comune del transistor. Va notato che il transistor PNP sul lato collettore dell'IGBT è equivalente solo al transistor PNP nella struttura, che è ben lontano dal transistor effettivamente utilizzato per l'amplificazione di corrente in termini di prestazioni [3]. Il transistor reale può amplificare la corrente, cioè Ip>>In, mentre per l'IGBT, la corrente degli elettroni In è sostanzialmente uguale alla corrente delle lacune Ip.Dopo aver parlato dei transistor, parliamo dei MOS. Sappiamo tutti che il MOS è un dispositivo controllato in tensione. La corrente di canale In del MOS ha la seguente relazione con la tensione di gate nel processo di commutazione:
   
  In questa formula, Kp è il coefficiente relativo alla struttura del dispositivo e alle caratteristiche del portatore, e Vge,th sono le tensioni di soglia.A questo punto, potrebbe essere un po' chiaro a tutti che ciò che controlliamo nella tensione di gate dell'IGBT è in realtà il MOS interno, che è direttamente influenzato dalla corrente degli elettroni In, mentre la corrente di lacuna Ip non è direttamente correlata alla tensione di gate Vge.Tornando all'argomento, diamo un'occhiata al processo di spegnimento dell'IGBT. Solitamente, il processo di spegnimento dell'IGBT può essere suddiviso in cinque fasi in base alle sue caratteristiche esterne, come mostrato nella figura seguente:
    图4. IGBT convertitore di frequenza
 
Fase 1 (t0-t1): il condensatore di gate si scarica e la tensione di gate scende esponenzialmente fino alla tensione della piattaforma Maitreya Vgep. Fase 2 (t1-t2): Nella fase della piattaforma Maitreya, la tensione di gate rimane sostanzialmente invariata e la tensione Vgep dipende dalla corrente di carico. La corrente di gate carica il condensatore Maitreya e la tensione di collettore aumenta leggermente. Fase 3 (t2-t3): Nella fase di aumento della tensione di collettore, la tensione di collettore Vce dell'IGBT sale rapidamente fino alla tensione del bus. Allo stesso tempo, la tensione di gate scende dalla piattaforma Maitreya Vgep alla tensione di soglia Vge,th e il gate viene completamente spento. Fase 4 (t3-t4): Nella fase di diminuzione della corrente di collettore, la tensione di collettore dell'IGBT è salita fino alla tensione del bus Vdc e il diodo corrispondente all'IGBT entra nella fase di conduzione diretta e la corrente di carico viene rapidamente trasferita dall'IGBT al diodo. La corrente di Ic scende rapidamente fino alla corrente di trascinamento e la tensione di collettore presenta una certa sovraelongazione di tensione dovuta alla presenza di induttanza parassita. Fase 5 (t4-t5): Processo di corrente di trascinamento; la velocità di declino della corrente in questa fase è determinata principalmente dalla durata di vita dei portatori del dispositivo. Alcuni potrebbero chiedersi perché il gate venga spento quando la corrente inizia a scendere. Molti articoli mostrano che quando la corrente di collettore dell'IGBT scende a 0, il gate si spegne. Questi dati non presentano problemi nel comprendere le caratteristiche di commutazione dell'IGBT. In senso stretto, ci sono alcuni problemi, ma non confondiamoci troppo. In effetti, è difficile per noi testare quando il gate dell'IGBT viene spento, perché dopotutto non stiamo studiando semiconduttori e non conosciamo molti parametri! Quanto segue descrive il processo di spegnimento dell'IGBT dal livello del meccanismo interno: Innanzitutto, osserviamo la distribuzione dei portatori interni prima che l'IGBT venga spento. La Fig. 5 corrisponde alla distribuzione dei portatori interni nell'IGBT prima di t0 in Fig. 4, ovvero nello stato on. Qui, discutiamo principalmente la distribuzione dei portatori nella regione di base N, poiché le caratteristiche di commutazione dell'IGBT sono principalmente influenzate dai portatori nella regione di base N. Nello stato on, la regione di base N è piena di elettroni e lacune, quindi questa regione può anche essere chiamata Regione di accumulo di portatori (CSR) o Plasma. Durante il processo in stato on, la corrente di elettroni e la corrente di lacune nella regione di base dell'IGBT sono approssimativamente 3: 1, principalmente perché la mobilità degli elettroni è tre volte quella delle lacune nelle stesse condizioni [4]. 
 

Distribuzione dei portatori prima del tempo 0  
Quando viene applicata una tensione di polarizzazione nulla o negativa al gate dell'IGBT, il dispositivo entra nel processo di spegnimento. In primo luogo, con la diminuzione della tensione di gate, la corrente di elettroni iniettata dalla regione di sorgente N+ alla regione di base N- attraverso il canale MOS diminuisce gradualmente, mentre la corrente del collettore esterno rimane invariata sotto l'influenza dell'induttanza di carico, quindi la corrente di elettroni e la corrente di lacuna all'interno del modulo IGBT devieranno dal loro stato di equilibrio originale. La Fig. 3 illustra il cambiamento dei portatori nella regione N-base dell'IGBT in questa fase, corrispondente alla distribuzione dei portatori in t0-t3 nella Fig. 4, in cui un gran numero di coppie di elettroni e lacune esiste ancora nella regione CSR sul lato sinistro della regione N-base. Sul lato destro della regione a base N, si trova una regione di carica spaziale (SCR), che non presenta portatori residui e può anche essere chiamata strato di svuotamento. Durante lo spegnimento dell'IGBT, questa regione trasporta tensione e la corrente elettronica nella regione SCR diminuisce gradualmente, mentre la corrente di lacuna aumenta gradualmente.
 

Distribuzione dei portatori nel periodo 0-t3

Quando la tensione di gate dell'IGBT continua a diminuire fino alla tensione di soglia Vgeth, il canale di conduzione MOS interno viene completamente disattivato e In1 è 0, il che interrompe la corrente di base del transistor PNP. L'emettitore del transistor PNP non inietterà più lacune nella regione di base N. La Figura 7 corrisponde al tempo t3 della caratteristica off dell'IGBT. In questo momento, la corrente elettronica nella regione di carica spaziale è nulla e la corrente di carico è completamente mantenuta dalla corrente di lacuna Ip1, mentre elettroni e lacune nella regione CSR sono ancora presenti.
 

Distribuzione del corriere in 3 ore

Quando la tensione del collettore Vce dell'IGBT sale fino alla tensione del bus, la corrente del collettore diminuisce rapidamente e la velocità di caduta dell'IC è determinata dalle caratteristiche del dispositivo stesso, che non sarà più controllato dal gate. La fig. 8 corrisponde a t3-t4 di fig. 4. Dopo il completamento di questa fase, rimangono ancora alcuni portatori nell'area CSR e l'eliminazione dei portatori rimanenti è determinata principalmente dal loro tasso di ricombinazione, che appare come corrente di trascinamento verso l'esterno.
 

Distribuzione dei portatori nel periodo 3-t4

A questo punto, si può comprendere che la possibilità che la velocità di caduta di corrente del collettore IGBT possa essere controllata dal gate dipende dal fatto che la corrente di elettroni iniettata dal canale MOS giochi ancora un ruolo nella fase di caduta di corrente dell'IGBT. Qui possiamo usare la formula per descrivere il tasso di declino di spegnimento dell'IGBT:
   
  Non è difficile scoprire dalla formula che In1 deve avere un certo diritto di parola per controllare la pendenza discendente della corrente del collettore quando è spento. Come possiamo aumentare la percentuale di corrente elettronica del canale MOS?

Esistono due metodi: uno consiste nel rallentare la velocità di spegnimento dell'IGBT, l'altro nell'iniettare corrente di elettroni nel gate. Attualmente, entrambi i metodi trovano buone applicazioni nel pilotaggio dei gate IGBT. Quali sono i modi per rallentare la velocità di spegnimento? Naturalmente, è possibile aumentare la resistenza, ma il ritardo o la perdita di spegnimento sono molto grandi, il che non vale la perdita; L'altro metodo consiste nell'adottare la tecnologia di azionamento attivo e adottare misure per rallentare la velocità di spegnimento dell'IGBT solo quando la corrente dell'IGBT diminuisce. Questo metodo può raggiungere un buon compromesso tra ritardo di commutazione, sovratensione e perdite. Il driver digitale domestico Feihide ha questa funzione, quindi chi è interessato può scoprirlo (non è pubblicità qui, è puramente scambio tecnico)! Allora come iniettare corrente nel cancello? Questo è ciò che spesso chiamiamo tecnologia di bloccaggio attivo della tensione del collettore.

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