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IGBT 회전율 프로세스는 무엇입니까? (강의1)
2022-03-17
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전력 전자 분야에 종사하는 사람이라면 IGBT에 익숙할 것입니다. 전체 명칭은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)로, MOS(Insulated Gate Field Effect Transistor)와 BJT(Bipolar Transistor)로 구성된 복합 완전 제어 전력 반도체 소자입니다. 흔히 전력 전자 소자의 "CPU"로 알려져 있습니다. 10V 이상의 게이트 제어 신호를 통해 kV 전압 및 kA 전류의 제어를 실현할 수 있습니다. 국가 전략 신흥 산업으로 철도 운송, 스마트 그리드, 산업 에너지 절약, 전기 자동차 및 신에너지 장비에 널리 사용됩니다.하지만 IGBT에 대해 정말 알고 있나요? 오늘은 IGBT의 턴오프 과정에 대해 알아보겠습니다. 시작하기 전에 질문을 하나 던져보겠습니다. 생각해 보세요. 그림 1은 IGBT의 턴오프 게이트 저항과 전압 스파이크 사이의 관계를 보여줍니다.
그림 1. IGBT 턴오프 과전압과 게이트 저항의 관계 [1]IGBT의 게이트 오프 저항이 증가하면 전압 스파이크가 증가합니까? 이것은 어떤 유령입니까? 우리가 생각했던 것과 다른가요?IGBT의 턴오프 저항과 턴오프 손실의 관계를 살펴보겠습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, IGBT의 턴오프 저항은 턴오프 손실에 거의 영향을 미치지 않습니다.
위 두 그림을 보면 게이트 저항을 통해 IGBT의 턴오프 특성에 영향을 미치는 것은 이상적이지 않은 것으로 보입니다. 하지만 실제로는 그렇지 않은데, 해결책이 없는 걸까요? 몇 가지 방법이 있을 텐데, 먼저 감옥에 갇힌 아들을 팔고, 그 다음에 얘기하자!오늘은 IGBT의 정지 과정에 대해 간략히 알아보고, 위와 같은 현상이 발생하는 원인을 근본적으로 분석해 보겠습니다.IGBT의 턴오프 과정을 이해하려면 IGBT의 작동 원리를 간략하게 살펴볼 필요가 있습니다. 앞서 언급했듯이 IGBT는 MOS와 BJT로 구성된 전력 소자입니다. 그림 1은 NPT IGBT의 내부 구조와 등가 회로를 보여줍니다. IGBT는 양극성 소자, 즉 전자와 정공이 모두 전도에 참여하는 소자라는 것은 누구나 알고 있습니다. MOS를 흐르는 전자 전류가 I이고, PNP 트랜지스터를 흐르는 홀 전류가 Ip라고 가정하면, IGBT를 흐르는 콜렉터 전류 IC는 +IP가 됩니다.
트랜지스터의 작동 원리에 따르면 PNP 트랜지스터의 콜렉터 전류 Ip와 베이스 전류 in 사이에는 다음과 같은 관계가 존재합니다.
βpnp는 트랜지스터의 공통 이미터 전류 증폭 인자이고, αpnp는 트랜지스터의 공통 베이스 전류 증폭 인자이다. IGBT의 컬렉터 측 PNP 트랜지스터는 구조적으로만 PNP 트랜지스터와 동일하며, 실제로 전류 증폭에 사용되는 트랜지스터의 성능과는 거리가 멀다는 점에 유의해야 한다[3]. 실제 트랜지스터는 전류를 증폭시킬 수 있습니다. 즉, Ip>>In인 반면, IGBT의 경우 전자 전류 In은 기본적으로 홀 전류 Ip와 같습니다.트랜지스터에 대해 이야기한 후 MOS에 대해 이야기해 보겠습니다. 우리 모두는 MOS가 전압 제어 장치라는 것을 알고 있습니다. MOS의 채널 전류 In은 스위칭 과정에서 게이트 전압과 다음과 같은 관계를 갖습니다.
이 식에서 Kp는 소자 구조 및 캐리어 특성과 관련된 계수이고, Vge,th는 문턱 전압이다.이 시점에서 IGBT의 게이트 전압을 제어하는 것은 실제로 전자 전류 In에 의해 직접 영향을 받는 내부 MOS이고, 반면 홀 전류 Ip는 게이트 전압 Vge와 직접적인 관련이 없다는 것이 모든 사람에게 조금은 분명해졌을 것입니다.본론으로 돌아와서 IGBT의 턴오프 과정을 살펴보겠습니다. 일반적으로 IGBT의 턴오프 과정은 외부 특성에 따라 다음 그림과 같이 5단계로 나눌 수 있습니다.
4. IGBT형 외부특수성
1단계(t0-t1): 게이트 커패시터가 방전되고 게이트 전압이 기하급수적으로 마이트레야 플랫폼 전압 Vgep로 떨어집니다.2단계(t1-t2): 마이트레야 플랫폼 단계에서 게이트 전압은 기본적으로 변하지 않으며 Vgep 전압은 부하 전류에 따라 달라집니다.게이트 전류가 마이트레야 커패시터를 충전하고 콜렉터 전압이 약간 상승합니다.3단계(t2-t3): 콜렉터 전압이 상승하는 단계에서 IGBT의 콜렉터 전압 Vce가 버스 전압까지 빠르게 상승합니다.동시에 게이트 전압이 마이트레야 플랫폼 Vgep에서 임계 전압 Vge,th로 떨어지고 게이트가 완전히 꺼집니다.4단계(t3-t4): 콜렉터 전류가 감소하는 단계에서 IGBT의 콜렉터 전압이 버스 전압 Vdc까지 상승하고 IGBT에 해당하는 다이오드가 순방향 전도 단계에 진입하고 부하 전류가 IGBT에서 다이오드로 빠르게 전달됩니다. 영어: Ic의 전류는 trailing 전류로 빠르게 떨어지고 컬렉터 전압은 부유 인덕턴스의 존재로 인해 특정 전압 오버슈트를 갖습니다.단계 5(t4-t5): trailing 전류 프로세스, 이 단계에서 전류 감소 속도는 주로 소자의 캐리어 수명에 의해 결정됩니다.어떤 사람들은 전류가 떨어지기 시작할 때 왜 게이트가 꺼지는지 질문할 수 있습니다.많은 논문에서 IGBT의 컬렉터 전류가 0으로 떨어지면 게이트가 꺼진다고 보여줍니다.이러한 수치는 IGBT의 스위칭 특성을 이해하는 데 문제가 없습니다.엄밀히 말하면 몇 가지 문제가 있지만 너무 얽매이지 마십시오.사실, 우리는 결국 반도체를 공부하지 않고 많은 매개변수를 알지 못하기 때문에 IGBT의 게이트가 꺼지는 시점을 테스트하기 어렵습니다!다음은 내부 메커니즘 수준에서 IGBT의 꺼짐 프로세스를 설명합니다.먼저 IGBT가 꺼지기 전 내부 캐리어의 분포를 살펴보세요. 그림 5는 그림 0의 t4 이전, 즉 온 상태의 IGBT 내부 캐리어 분포에 해당합니다. 여기서는 주로 N-베이스 영역의 캐리어 분포에 대해 논의합니다. 왜냐하면 IGBT의 스위칭 특성은 주로 N-베이스 영역의 캐리어에 영향을 받기 때문입니다. 온 상태에서 N-베이스 영역은 전자와 정공으로 가득 차 있으므로 이 영역을 캐리어 저장 영역(CSR) 또는 플라즈마라고도 합니다. 온 상태 과정에서 IGBT의 베이스 영역에서 전자 전류와 정공 전류는 약 3:1인데, 이는 주로 전자의 이동도가 동일한 조건에서 정공의 4배이기 때문입니다[XNUMX].
IGBT의 게이트에 0 또는 음의 바이어스 전압이 인가되면 장치는 종료 프로세스에 들어갑니다. 첫째, 게이트 전압이 감소함에 따라 MOS 채널을 통해 N+ 소스 영역에서 N- 베이스 영역으로 주입되는 전자 전류는 점차 감소하는 반면, 외부 콜렉터 전류는 부하 인덕턴스의 영향을 받아 변하지 않으므로 IGBT 모듈 내부의 전자 전류와 홀 전류는 원래의 평형 상태에서 벗어나게 됩니다. 그림 3은 이 단계에서 IGBT의 N-베이스 영역에서 캐리어의 변화를 나타낸 것으로, 그림 0의 t3-t4에서의 캐리어 분포와 일치하며, N-베이스 영역의 왼쪽에 있는 CSR 영역에 여전히 많은 수의 전자와 홀 쌍이 존재한다. N-베이스 영역의 오른쪽에는 잔류 캐리어가 없는 공간 전하 영역(SCR)이 있으며, 이를 공핍층이라고도 합니다. IGBT가 턴오프되는 동안 이 영역에는 전압이 흐르고, SCR 영역의 전자 전류는 점차 감소하는 반면 정공 전류는 점차 증가합니다.
IGBT의 게이트 전압이 임계 전압 Vgeth까지 계속 감소하면 내부 MOS 전도 채널이 완전히 꺼지고 In1은 0이 되어 PNP 트랜지스터의 베이스 전류가 차단됩니다. PNP 트랜지스터의 이미터는 더 이상 N- 베이스 영역에 정공을 주입하지 않습니다. 그림 7은 IGBT의 오프 특성의 t3에 해당합니다. 이때 공간 전하 영역의 전자 전류는 1이고, 부하 전류는 정공 전류 IpXNUMX에 의해 완전히 유지되는 반면, CSR 영역의 전자와 정공은 여전히 존재합니다.
IGBT의 컬렉터 전압 Vce가 버스 전압까지 상승하면 컬렉터 전류는 급격히 떨어지고, IC의 강하 속도는 소자 자체의 특성에 따라 결정되므로 더 이상 게이트에 의해 제어되지 않습니다. 그림 8은 그림의 t3-t4에 해당합니다. 4. 이 단계가 완료된 후에도 CSR 영역에는 여전히 소수의 캐리어가 남아 있으며, 나머지 캐리어의 제거는 주로 외부적으로 후행 전류로 나타나는 재결합 속도에 따라 결정됩니다.
이 시점에서 IGBT 컬렉터의 전류 강하 속도가 게이트에 의해 제어될 수 있는지 여부는 MOS 채널에 의해 주입된 전자 전류가 IGBT 전류 강하 단계에서 여전히 역할을 하는지 여부에 달려 있다는 것을 이해할 수 있을 것입니다. 여기서 우리는 다음 공식을 사용하여 IGBT의 턴오프 감소율을 설명할 수 있습니다.
In1이 꺼졌을 때 컬렉터 전류의 하강 기울기를 제어하려면 InXNUMX이 특정 발언 권한을 가져야 한다는 공식을 찾는 것은 어렵지 않습니다. MOS 채널 전자 전류의 비율을 어떻게 높일 수 있습니까?
두 가지 방법이 있는데, 하나는 IGBT의 턴오프 속도를 늦추는 것이고, 다른 하나는 게이트에 전자 전류를 주입하는 것입니다. 현재 두 방법 모두 IGBT 게이트 드라이브에 좋은 적용성을 가지고 있습니다. 종료 속도를 늦추는 방법은 무엇입니까? 물론 저항을 높이는 것도 가능하지만 턴오프 지연이나 손실이 매우 커서 손실을 감수할 가치가 없습니다. 다른 방법은 능동 구동 기술을 채택하여 IGBT 전류가 감소할 때만 IGBT의 턴오프 속도를 늦추는 조치를 취하는 것입니다. 이 방법은 스위칭 지연, 과전압 및 손실 간의 적절한 절충안을 도출할 수 있습니다. 국내 Feishide 디지털 드라이버에는 이 기능이 있으므로 관심 있는 분들은 자세히 알아볼 수 있습니다(여기서는 광고가 아니며 순전히 기술 교환입니다)! 그렇다면 게이트에 전류를 주입하는 방법은 무엇입니까? 이것이 우리가 흔히 컬렉터 전압 능동 클램핑 기술이라고 부르는 것입니다.
그림 1. IGBT 턴오프 과전압과 게이트 저항의 관계 [1]IGBT의 게이트 오프 저항이 증가하면 전압 스파이크가 증가합니까? 이것은 어떤 유령입니까? 우리가 생각했던 것과 다른가요?IGBT의 턴오프 저항과 턴오프 손실의 관계를 살펴보겠습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, IGBT의 턴오프 저항은 턴오프 손실에 거의 영향을 미치지 않습니다.
위 두 그림을 보면 게이트 저항을 통해 IGBT의 턴오프 특성에 영향을 미치는 것은 이상적이지 않은 것으로 보입니다. 하지만 실제로는 그렇지 않은데, 해결책이 없는 걸까요? 몇 가지 방법이 있을 텐데, 먼저 감옥에 갇힌 아들을 팔고, 그 다음에 얘기하자!오늘은 IGBT의 정지 과정에 대해 간략히 알아보고, 위와 같은 현상이 발생하는 원인을 근본적으로 분석해 보겠습니다.IGBT의 턴오프 과정을 이해하려면 IGBT의 작동 원리를 간략하게 살펴볼 필요가 있습니다. 앞서 언급했듯이 IGBT는 MOS와 BJT로 구성된 전력 소자입니다. 그림 1은 NPT IGBT의 내부 구조와 등가 회로를 보여줍니다. IGBT는 양극성 소자, 즉 전자와 정공이 모두 전도에 참여하는 소자라는 것은 누구나 알고 있습니다. MOS를 흐르는 전자 전류가 I이고, PNP 트랜지스터를 흐르는 홀 전류가 Ip라고 가정하면, IGBT를 흐르는 콜렉터 전류 IC는 +IP가 됩니다.
트랜지스터의 작동 원리에 따르면 PNP 트랜지스터의 콜렉터 전류 Ip와 베이스 전류 in 사이에는 다음과 같은 관계가 존재합니다.
βpnp는 트랜지스터의 공통 이미터 전류 증폭 인자이고, αpnp는 트랜지스터의 공통 베이스 전류 증폭 인자이다. IGBT의 컬렉터 측 PNP 트랜지스터는 구조적으로만 PNP 트랜지스터와 동일하며, 실제로 전류 증폭에 사용되는 트랜지스터의 성능과는 거리가 멀다는 점에 유의해야 한다[3]. 실제 트랜지스터는 전류를 증폭시킬 수 있습니다. 즉, Ip>>In인 반면, IGBT의 경우 전자 전류 In은 기본적으로 홀 전류 Ip와 같습니다.트랜지스터에 대해 이야기한 후 MOS에 대해 이야기해 보겠습니다. 우리 모두는 MOS가 전압 제어 장치라는 것을 알고 있습니다. MOS의 채널 전류 In은 스위칭 과정에서 게이트 전압과 다음과 같은 관계를 갖습니다.
이 식에서 Kp는 소자 구조 및 캐리어 특성과 관련된 계수이고, Vge,th는 문턱 전압이다.이 시점에서 IGBT의 게이트 전압을 제어하는 것은 실제로 전자 전류 In에 의해 직접 영향을 받는 내부 MOS이고, 반면 홀 전류 Ip는 게이트 전압 Vge와 직접적인 관련이 없다는 것이 모든 사람에게 조금은 분명해졌을 것입니다.본론으로 돌아와서 IGBT의 턴오프 과정을 살펴보겠습니다. 일반적으로 IGBT의 턴오프 과정은 외부 특성에 따라 다음 그림과 같이 5단계로 나눌 수 있습니다.
4. IGBT형 외부특수성1단계(t0-t1): 게이트 커패시터가 방전되고 게이트 전압이 기하급수적으로 마이트레야 플랫폼 전압 Vgep로 떨어집니다.2단계(t1-t2): 마이트레야 플랫폼 단계에서 게이트 전압은 기본적으로 변하지 않으며 Vgep 전압은 부하 전류에 따라 달라집니다.게이트 전류가 마이트레야 커패시터를 충전하고 콜렉터 전압이 약간 상승합니다.3단계(t2-t3): 콜렉터 전압이 상승하는 단계에서 IGBT의 콜렉터 전압 Vce가 버스 전압까지 빠르게 상승합니다.동시에 게이트 전압이 마이트레야 플랫폼 Vgep에서 임계 전압 Vge,th로 떨어지고 게이트가 완전히 꺼집니다.4단계(t3-t4): 콜렉터 전류가 감소하는 단계에서 IGBT의 콜렉터 전압이 버스 전압 Vdc까지 상승하고 IGBT에 해당하는 다이오드가 순방향 전도 단계에 진입하고 부하 전류가 IGBT에서 다이오드로 빠르게 전달됩니다. 영어: Ic의 전류는 trailing 전류로 빠르게 떨어지고 컬렉터 전압은 부유 인덕턴스의 존재로 인해 특정 전압 오버슈트를 갖습니다.단계 5(t4-t5): trailing 전류 프로세스, 이 단계에서 전류 감소 속도는 주로 소자의 캐리어 수명에 의해 결정됩니다.어떤 사람들은 전류가 떨어지기 시작할 때 왜 게이트가 꺼지는지 질문할 수 있습니다.많은 논문에서 IGBT의 컬렉터 전류가 0으로 떨어지면 게이트가 꺼진다고 보여줍니다.이러한 수치는 IGBT의 스위칭 특성을 이해하는 데 문제가 없습니다.엄밀히 말하면 몇 가지 문제가 있지만 너무 얽매이지 마십시오.사실, 우리는 결국 반도체를 공부하지 않고 많은 매개변수를 알지 못하기 때문에 IGBT의 게이트가 꺼지는 시점을 테스트하기 어렵습니다!다음은 내부 메커니즘 수준에서 IGBT의 꺼짐 프로세스를 설명합니다.먼저 IGBT가 꺼지기 전 내부 캐리어의 분포를 살펴보세요. 그림 5는 그림 0의 t4 이전, 즉 온 상태의 IGBT 내부 캐리어 분포에 해당합니다. 여기서는 주로 N-베이스 영역의 캐리어 분포에 대해 논의합니다. 왜냐하면 IGBT의 스위칭 특성은 주로 N-베이스 영역의 캐리어에 영향을 받기 때문입니다. 온 상태에서 N-베이스 영역은 전자와 정공으로 가득 차 있으므로 이 영역을 캐리어 저장 영역(CSR) 또는 플라즈마라고도 합니다. 온 상태 과정에서 IGBT의 베이스 영역에서 전자 전류와 정공 전류는 약 3:1인데, 이는 주로 전자의 이동도가 동일한 조건에서 정공의 4배이기 때문입니다[XNUMX].
IGBT의 게이트에 0 또는 음의 바이어스 전압이 인가되면 장치는 종료 프로세스에 들어갑니다. 첫째, 게이트 전압이 감소함에 따라 MOS 채널을 통해 N+ 소스 영역에서 N- 베이스 영역으로 주입되는 전자 전류는 점차 감소하는 반면, 외부 콜렉터 전류는 부하 인덕턴스의 영향을 받아 변하지 않으므로 IGBT 모듈 내부의 전자 전류와 홀 전류는 원래의 평형 상태에서 벗어나게 됩니다. 그림 3은 이 단계에서 IGBT의 N-베이스 영역에서 캐리어의 변화를 나타낸 것으로, 그림 0의 t3-t4에서의 캐리어 분포와 일치하며, N-베이스 영역의 왼쪽에 있는 CSR 영역에 여전히 많은 수의 전자와 홀 쌍이 존재한다. N-베이스 영역의 오른쪽에는 잔류 캐리어가 없는 공간 전하 영역(SCR)이 있으며, 이를 공핍층이라고도 합니다. IGBT가 턴오프되는 동안 이 영역에는 전압이 흐르고, SCR 영역의 전자 전류는 점차 감소하는 반면 정공 전류는 점차 증가합니다.
IGBT의 게이트 전압이 임계 전압 Vgeth까지 계속 감소하면 내부 MOS 전도 채널이 완전히 꺼지고 In1은 0이 되어 PNP 트랜지스터의 베이스 전류가 차단됩니다. PNP 트랜지스터의 이미터는 더 이상 N- 베이스 영역에 정공을 주입하지 않습니다. 그림 7은 IGBT의 오프 특성의 t3에 해당합니다. 이때 공간 전하 영역의 전자 전류는 1이고, 부하 전류는 정공 전류 IpXNUMX에 의해 완전히 유지되는 반면, CSR 영역의 전자와 정공은 여전히 존재합니다.
IGBT의 컬렉터 전압 Vce가 버스 전압까지 상승하면 컬렉터 전류는 급격히 떨어지고, IC의 강하 속도는 소자 자체의 특성에 따라 결정되므로 더 이상 게이트에 의해 제어되지 않습니다. 그림 8은 그림의 t3-t4에 해당합니다. 4. 이 단계가 완료된 후에도 CSR 영역에는 여전히 소수의 캐리어가 남아 있으며, 나머지 캐리어의 제거는 주로 외부적으로 후행 전류로 나타나는 재결합 속도에 따라 결정됩니다.
이 시점에서 IGBT 컬렉터의 전류 강하 속도가 게이트에 의해 제어될 수 있는지 여부는 MOS 채널에 의해 주입된 전자 전류가 IGBT 전류 강하 단계에서 여전히 역할을 하는지 여부에 달려 있다는 것을 이해할 수 있을 것입니다. 여기서 우리는 다음 공식을 사용하여 IGBT의 턴오프 감소율을 설명할 수 있습니다.
In1이 꺼졌을 때 컬렉터 전류의 하강 기울기를 제어하려면 InXNUMX이 특정 발언 권한을 가져야 한다는 공식을 찾는 것은 어렵지 않습니다. MOS 채널 전자 전류의 비율을 어떻게 높일 수 있습니까?
두 가지 방법이 있는데, 하나는 IGBT의 턴오프 속도를 늦추는 것이고, 다른 하나는 게이트에 전자 전류를 주입하는 것입니다. 현재 두 방법 모두 IGBT 게이트 드라이브에 좋은 적용성을 가지고 있습니다. 종료 속도를 늦추는 방법은 무엇입니까? 물론 저항을 높이는 것도 가능하지만 턴오프 지연이나 손실이 매우 커서 손실을 감수할 가치가 없습니다. 다른 방법은 능동 구동 기술을 채택하여 IGBT 전류가 감소할 때만 IGBT의 턴오프 속도를 늦추는 조치를 취하는 것입니다. 이 방법은 스위칭 지연, 과전압 및 손실 간의 적절한 절충안을 도출할 수 있습니다. 국내 Feishide 디지털 드라이버에는 이 기능이 있으므로 관심 있는 분들은 자세히 알아볼 수 있습니다(여기서는 광고가 아니며 순전히 기술 교환입니다)! 그렇다면 게이트에 전류를 주입하는 방법은 무엇입니까? 이것이 우리가 흔히 컬렉터 전압 능동 클램핑 기술이라고 부르는 것입니다.
면책조항: 이 기사는 "자동차 반도체 정보국(Automotive Semiconductor Intelligence Bureau)"에서 복제되었습니다. 이 기사는 저자의 개인적인 견해일 뿐 Sacco Micro와 업계의 견해를 대변하지 않습니다. 지적 재산권 보호를 지원하기 위해 재인쇄 및 공유에만 사용됩니다. 재인쇄 시 원본 출처와 작성자를 명시해 주시기 바랍니다. 침해가 있는 경우 당사에 연락하여 삭제하시기 바랍니다.
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