hotline
columnist
columnist
Wat is het IGBT-omzetproces? (Lezing 1)
2022-03-17
1493
Wie zich bezighoudt met vermogenselektronica is wellicht bekend met IGBT. De volledige naam is Insulated Gate Bipolar Transistor, een samengestelde, volledig gestuurde vermogenshalfgeleider die bestaat uit MOS (Insulated Gate Field Effect Transistor) en BJT (Bipolar Transistor). Het staat algemeen bekend als de "CPU" van vermogenselektronica. Via een gate-stuursignaal van meer dan tien volt, Het kan de controle van kV-spanning en kA-stroom realiseren. Als een nationale strategische opkomende industrie wordt het veel gebruikt in het spoorvervoer, slimme netwerken, industriële energiebesparing, elektrische voertuigen en nieuwe energieapparatuur.Maar weet u eigenlijk wel wat IGBT is? Laten we het vandaag hebben over het uitschakelproces van IGBT. Voordat we beginnen, stellen we een vraag. Denk er eens over na. Figuur 1 toont de relatie tussen de uitschakelweerstand van de gate van IGBT en de spanningspiek:
Figuur 1. Relatie tussen IGBT-uitschakeloverspanning en gate-weerstand [1]Wanneer de gate-off-weerstand van IGBT wordt verhoogd, zal de spanningspiek toenemen? Wat voor soort geest is dit? Is het anders dan we dachten?Laten we eens kijken naar de relatie tussen de uitschakelweerstand en het uitschakelverlies van IGBT. Uit figuur 2 blijkt dat de uitschakelweerstand van IGBT weinig effect heeft op het uitschakelverlies.
Uit de bovenstaande twee afbeeldingen blijkt dat het niet ideaal is om de uitschakelkarakteristieken van IGBT's te beïnvloeden via gateweerstand. Dit is echter wel het geval, dus is er geen oplossing? Er moeten een aantal methoden zijn: verkoop eerst een gevangengenomen zoon, en dan praten we er later over!Laten we het vandaag kort hebben over het shutdown-proces van IGBT en de oorzaken van het bovenstaande fenomeen vanaf de kern analyseren.Om het uitschakelproces van IGBT te begrijpen, is het noodzakelijk om het werkingsprincipe van IGBT kort te bespreken. Zoals eerder vermeld, is IGBT een vermogenscomponent die bestaat uit MOS en BJT. Figuur 1 toont de interne structuur en het equivalente circuit van een NPT IGBT. We weten allemaal dat IGBT een bipolair apparaat is, dat wil zeggen dat zowel elektronen als gaten deelnemen aan de geleiding. Ervan uitgaande dat de elektronenstroom die door de MOS loopt in is en de gatenstroom die door de pnp-transistor loopt Ip is, is de collectorstroom IC die door de IGBT loopt in+IP.
Volgens het werkingsprincipe van de transistor bestaat de volgende relatie tussen de collectorstroom Ip en de basisstroom in van de PNP-transistor:
βpnp is de gemeenschappelijke emitterstroomversterkingsfactor van de transistor, en αpnp is de gemeenschappelijke basisstroomversterkingsfactor van de transistor. Opgemerkt moet worden dat de PNP-transistor aan de collectorzijde van IGBT alleen qua structuur gelijkwaardig is aan een PNP-transistor, wat qua prestaties ver verwijderd is van de transistor die daadwerkelijk wordt gebruikt voor stroomversterking [3]. De echte transistor kan de stroomsterkte versterken, dat wil zeggen Ip>>In, terwijl bij IGBT's de elektronenstroom In in principe gelijk is aan de gatenstroom Ip.Laten we, nadat we over transistors hebben gesproken, het hebben over MOS. We weten allemaal dat MOS een spanningsgestuurd apparaat is. De kanaalstroom In van MOS heeft bij het schakelproces de volgende relatie met de poortspanning:
In deze formule is Kp de coëfficiënt gerelateerd aan de apparaatstructuur en dragerkarakteristieken, en Vgeth de drempelspanningen.Op dit punt zal het voor iedereen duidelijk zijn dat wij de gatespanning van IGBT regelen, maar dat dit eigenlijk de interne MOS is, die direct wordt beïnvloed door de elektronenstroom In, terwijl de gatenstroom Ip niet direct verband houdt met de gatespanning Vge.Terug naar het onderwerp, laten we eens kijken naar het uitschakelproces van IGBT. Normaal gesproken kan het uitschakelproces van IGBT worden onderverdeeld in vijf fasen, afhankelijk van de externe kenmerken, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:
图4. IGBT-producten
Fase 1 (t0-t1): de gatecondensator ontlaadt en de gatespanning daalt exponentieel tot de spanning Vgep van het Maitreya-platform. Fase 2 (t1-t2): In de fase van het Maitreya-platform blijft de gatespanning in principe ongewijzigd en is de Vgep-spanning afhankelijk van de belastingsstroom. De gatestroom laadt de Maitreya-condensator op en de collectorspanning stijgt lichtjes. Fase 3 (t2-t3): In de fase van stijgende collectorspanning stijgt de collectorspanning Vce van de IGBT snel tot de busspanning. Tegelijkertijd daalt de gatespanning van Vgep van het Maitreya-platform tot de drempelspanning Vge,th en wordt de gate volledig uitgeschakeld. Fase 4 (t3-t4): In de fase van afnemende collectorstroom is de collectorspanning van de IGBT gestegen tot de busspanning Vdc en gaat de diode die correspondeert met de IGBT de voorwaartse geleidingsfase in, en wordt de belastingsstroom snel overgedragen van de IGBT naar de diode. De stroom van Ic daalt snel tot de volgstroom, en de collectorspanning vertoont een zekere spanningsovershoot vanwege het bestaan van parasitaire inductantie. Fase 5 (t4-t5): Volgstroomproces, de snelheid van de stroomafname in deze fase wordt voornamelijk bepaald door de levensduur van de drager van het apparaat. Sommige mensen vragen zich misschien af waarom de gate wordt uitgeschakeld wanneer de stroom begint te dalen. Veel artikelen tonen aan dat wanneer de collectorstroom van IGBT tot 0 daalt, de gate zal uitschakelen. Deze cijfers vormen geen probleem om de schakelkarakteristieken van IGBT eenvoudigweg te begrijpen. Strikt genomen zijn er enkele problemen, maar laten we ons er niet te veel in verdiepen. Sterker nog, het is moeilijk voor ons om te testen wanneer de gate van IGBT is uitgeschakeld, omdat we tenslotte geen halfgeleiders bestuderen en we niet veel parameters kennen! Het volgende beschrijft het uitschakelproces van IGBT vanaf het niveau van het interne mechanisme: Bekijk eerst de verdeling van interne dragers voordat de IGBT wordt uitgeschakeld. Figuur 5 komt overeen met de verdeling van interne dragers in de IGBT vóór t0 in figuur 4, dat wil zeggen in de aan-toestand. Hier bespreken we voornamelijk de dragerverdeling in het N-basegebied, omdat de schakelkarakteristieken van IGBT voornamelijk worden beïnvloed door de dragers in het N-basegebied. In de aan-toestand zit het N-basegebied vol met elektronen en gaten, dus dit gebied kan ook Carrier Storage Region (CSR) of Plasma worden genoemd. Tijdens het aan-toestandproces zijn de elektronenstroom en gatstroom in het basisgebied van IGBT ongeveer 3:1, voornamelijk omdat de mobiliteit van elektronen drie keer zo groot is als die van gaten onder dezelfde omstandigheden [4].
Wanneer er een nul- of negatieve biasspanning op de poort van de IGBT wordt toegepast, gaat het apparaat over naar het uitschakelproces. Ten eerste neemt de elektronenstroom die via het MOS-kanaal van het N+-brongebied naar het N-basisgebied wordt geïnjecteerd geleidelijk af naarmate de gatespanning afneemt, terwijl de externe collectorstroom onveranderd blijft onder invloed van de belastingsinductantie. De elektronenstroom en de gatstroom in de IGBT-module zullen dus afwijken van hun oorspronkelijke evenwichtstoestand. Figuur 3 geeft de verandering van dragers in het N-basegebied van IGBT in dit stadium weer, overeenkomend met de dragerverdeling in t0-t3 in figuur 4, waarin nog steeds een groot aantal elektronen- en gatenparen aanwezig zijn in het CSR-gebied aan de linkerkant van het N-basegebied. Aan de rechterkant van het N-basisgebied bevindt zich een ruimteladingsgebied (SCR), dat geen restladingsdragers heeft en ook wel depletielaag wordt genoemd. Tijdens het uitschakelen van de IGBT voert dit gebied spanning en neemt de elektronenstroom in het SCR-gebied geleidelijk af, terwijl de gatenstroom geleidelijk toeneemt.
Wanneer de gatespanning van de IGBT blijft dalen tot de drempelspanning Vgeth, wordt het interne MOS-geleidingskanaal volledig uitgeschakeld en is In1 0, waardoor de basisstroom van de PNP-transistor wordt uitgeschakeld. De emitter van de PNP-transistor zal geen gaten meer in het N-basisgebied injecteren. Figuur 7 komt overeen met t3 van de off-karakteristiek van de IGBT. Op dit moment is de elektronenstroom in het ruimteladingsgebied nul en wordt de belastingsstroom volledig gehandhaafd door de gatenstroom Ip1, terwijl de elektronen en gaten in het CSR-gebied nog steeds aanwezig zijn.
Wanneer de collectorspanning Vce van de IGBT stijgt tot de busspanning, daalt de collectorstroom snel. De daalsnelheid van de IC wordt bepaald door de eigenschappen van het apparaat zelf, dat niet langer door de gate wordt aangestuurd. Fig. 8 komt overeen met t3-t4 in Fig. 4. Na de voltooiing van deze fase zijn er nog steeds een paar dragers over in het CSR-gebied, en de eliminatie van de resterende dragers wordt voornamelijk bepaald door hun recombinatiesnelheid, die extern als volgstroom lijkt.
Op dit punt begrijpt u wellicht dat het al dan niet kunnen regelen van de stroomvalsnelheid van de IGBT-collector door de gate afhangt van de vraag of de door het MOS-kanaal geïnjecteerde elektronenstroom nog steeds een rol speelt in de IGBT-stroomvalfase. Hier kunnen we de formule gebruiken om de uitschakeldalingssnelheid van IGBT te beschrijven:
Het is niet moeilijk om uit de formule af te leiden dat In1 een bepaald recht van spreken moet hebben om de dalende helling van de collectorstroom te beheersen wanneer deze is uitgeschakeld. Hoe kunnen we het aandeel van de elektronenstroom in het MOS-kanaal vergroten?
Er zijn twee methoden: de eerste is om de uitschakelsnelheid van de IGBT te vertragen en de andere is om elektronenstroom in de gate te injecteren. Momenteel zijn beide methoden succesvol toepasbaar in IGBT-gate-drives. Wat zijn de manieren om de uitschakelsnelheid te vertragen? Natuurlijk is het mogelijk om de weerstand te vergroten, maar de uitschakelvertraging of het verlies is erg groot, wat het verlies niet waard is; De andere methode is om actieve aandrijftechnologie te gebruiken en maatregelen te nemen om de uitschakelsnelheid van IGBT's alleen te vertragen wanneer de IGBT-stroom daalt. Deze methode kan een goed compromis bereiken tussen schakelvertraging, overspanning en verlies. De binnenlandse digitale driver van Feishide heeft deze functie, zodat geïnteresseerden er meer over kunnen leren (het is hier geen reclame, het is puur technische uitwisseling)! Hoe moet je dan stroom in de poort injecteren? Dit is wat we vaak collectorspanning-actieve klemtechnologie noemen.
Figuur 1. Relatie tussen IGBT-uitschakeloverspanning en gate-weerstand [1]Wanneer de gate-off-weerstand van IGBT wordt verhoogd, zal de spanningspiek toenemen? Wat voor soort geest is dit? Is het anders dan we dachten?Laten we eens kijken naar de relatie tussen de uitschakelweerstand en het uitschakelverlies van IGBT. Uit figuur 2 blijkt dat de uitschakelweerstand van IGBT weinig effect heeft op het uitschakelverlies.
Uit de bovenstaande twee afbeeldingen blijkt dat het niet ideaal is om de uitschakelkarakteristieken van IGBT's te beïnvloeden via gateweerstand. Dit is echter wel het geval, dus is er geen oplossing? Er moeten een aantal methoden zijn: verkoop eerst een gevangengenomen zoon, en dan praten we er later over!Laten we het vandaag kort hebben over het shutdown-proces van IGBT en de oorzaken van het bovenstaande fenomeen vanaf de kern analyseren.Om het uitschakelproces van IGBT te begrijpen, is het noodzakelijk om het werkingsprincipe van IGBT kort te bespreken. Zoals eerder vermeld, is IGBT een vermogenscomponent die bestaat uit MOS en BJT. Figuur 1 toont de interne structuur en het equivalente circuit van een NPT IGBT. We weten allemaal dat IGBT een bipolair apparaat is, dat wil zeggen dat zowel elektronen als gaten deelnemen aan de geleiding. Ervan uitgaande dat de elektronenstroom die door de MOS loopt in is en de gatenstroom die door de pnp-transistor loopt Ip is, is de collectorstroom IC die door de IGBT loopt in+IP.
Volgens het werkingsprincipe van de transistor bestaat de volgende relatie tussen de collectorstroom Ip en de basisstroom in van de PNP-transistor:
βpnp is de gemeenschappelijke emitterstroomversterkingsfactor van de transistor, en αpnp is de gemeenschappelijke basisstroomversterkingsfactor van de transistor. Opgemerkt moet worden dat de PNP-transistor aan de collectorzijde van IGBT alleen qua structuur gelijkwaardig is aan een PNP-transistor, wat qua prestaties ver verwijderd is van de transistor die daadwerkelijk wordt gebruikt voor stroomversterking [3]. De echte transistor kan de stroomsterkte versterken, dat wil zeggen Ip>>In, terwijl bij IGBT's de elektronenstroom In in principe gelijk is aan de gatenstroom Ip.Laten we, nadat we over transistors hebben gesproken, het hebben over MOS. We weten allemaal dat MOS een spanningsgestuurd apparaat is. De kanaalstroom In van MOS heeft bij het schakelproces de volgende relatie met de poortspanning:
In deze formule is Kp de coëfficiënt gerelateerd aan de apparaatstructuur en dragerkarakteristieken, en Vgeth de drempelspanningen.Op dit punt zal het voor iedereen duidelijk zijn dat wij de gatespanning van IGBT regelen, maar dat dit eigenlijk de interne MOS is, die direct wordt beïnvloed door de elektronenstroom In, terwijl de gatenstroom Ip niet direct verband houdt met de gatespanning Vge.Terug naar het onderwerp, laten we eens kijken naar het uitschakelproces van IGBT. Normaal gesproken kan het uitschakelproces van IGBT worden onderverdeeld in vijf fasen, afhankelijk van de externe kenmerken, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:
图4. IGBT-productenFase 1 (t0-t1): de gatecondensator ontlaadt en de gatespanning daalt exponentieel tot de spanning Vgep van het Maitreya-platform. Fase 2 (t1-t2): In de fase van het Maitreya-platform blijft de gatespanning in principe ongewijzigd en is de Vgep-spanning afhankelijk van de belastingsstroom. De gatestroom laadt de Maitreya-condensator op en de collectorspanning stijgt lichtjes. Fase 3 (t2-t3): In de fase van stijgende collectorspanning stijgt de collectorspanning Vce van de IGBT snel tot de busspanning. Tegelijkertijd daalt de gatespanning van Vgep van het Maitreya-platform tot de drempelspanning Vge,th en wordt de gate volledig uitgeschakeld. Fase 4 (t3-t4): In de fase van afnemende collectorstroom is de collectorspanning van de IGBT gestegen tot de busspanning Vdc en gaat de diode die correspondeert met de IGBT de voorwaartse geleidingsfase in, en wordt de belastingsstroom snel overgedragen van de IGBT naar de diode. De stroom van Ic daalt snel tot de volgstroom, en de collectorspanning vertoont een zekere spanningsovershoot vanwege het bestaan van parasitaire inductantie. Fase 5 (t4-t5): Volgstroomproces, de snelheid van de stroomafname in deze fase wordt voornamelijk bepaald door de levensduur van de drager van het apparaat. Sommige mensen vragen zich misschien af waarom de gate wordt uitgeschakeld wanneer de stroom begint te dalen. Veel artikelen tonen aan dat wanneer de collectorstroom van IGBT tot 0 daalt, de gate zal uitschakelen. Deze cijfers vormen geen probleem om de schakelkarakteristieken van IGBT eenvoudigweg te begrijpen. Strikt genomen zijn er enkele problemen, maar laten we ons er niet te veel in verdiepen. Sterker nog, het is moeilijk voor ons om te testen wanneer de gate van IGBT is uitgeschakeld, omdat we tenslotte geen halfgeleiders bestuderen en we niet veel parameters kennen! Het volgende beschrijft het uitschakelproces van IGBT vanaf het niveau van het interne mechanisme: Bekijk eerst de verdeling van interne dragers voordat de IGBT wordt uitgeschakeld. Figuur 5 komt overeen met de verdeling van interne dragers in de IGBT vóór t0 in figuur 4, dat wil zeggen in de aan-toestand. Hier bespreken we voornamelijk de dragerverdeling in het N-basegebied, omdat de schakelkarakteristieken van IGBT voornamelijk worden beïnvloed door de dragers in het N-basegebied. In de aan-toestand zit het N-basegebied vol met elektronen en gaten, dus dit gebied kan ook Carrier Storage Region (CSR) of Plasma worden genoemd. Tijdens het aan-toestandproces zijn de elektronenstroom en gatstroom in het basisgebied van IGBT ongeveer 3:1, voornamelijk omdat de mobiliteit van elektronen drie keer zo groot is als die van gaten onder dezelfde omstandigheden [4].
Wanneer er een nul- of negatieve biasspanning op de poort van de IGBT wordt toegepast, gaat het apparaat over naar het uitschakelproces. Ten eerste neemt de elektronenstroom die via het MOS-kanaal van het N+-brongebied naar het N-basisgebied wordt geïnjecteerd geleidelijk af naarmate de gatespanning afneemt, terwijl de externe collectorstroom onveranderd blijft onder invloed van de belastingsinductantie. De elektronenstroom en de gatstroom in de IGBT-module zullen dus afwijken van hun oorspronkelijke evenwichtstoestand. Figuur 3 geeft de verandering van dragers in het N-basegebied van IGBT in dit stadium weer, overeenkomend met de dragerverdeling in t0-t3 in figuur 4, waarin nog steeds een groot aantal elektronen- en gatenparen aanwezig zijn in het CSR-gebied aan de linkerkant van het N-basegebied. Aan de rechterkant van het N-basisgebied bevindt zich een ruimteladingsgebied (SCR), dat geen restladingsdragers heeft en ook wel depletielaag wordt genoemd. Tijdens het uitschakelen van de IGBT voert dit gebied spanning en neemt de elektronenstroom in het SCR-gebied geleidelijk af, terwijl de gatenstroom geleidelijk toeneemt.
Wanneer de gatespanning van de IGBT blijft dalen tot de drempelspanning Vgeth, wordt het interne MOS-geleidingskanaal volledig uitgeschakeld en is In1 0, waardoor de basisstroom van de PNP-transistor wordt uitgeschakeld. De emitter van de PNP-transistor zal geen gaten meer in het N-basisgebied injecteren. Figuur 7 komt overeen met t3 van de off-karakteristiek van de IGBT. Op dit moment is de elektronenstroom in het ruimteladingsgebied nul en wordt de belastingsstroom volledig gehandhaafd door de gatenstroom Ip1, terwijl de elektronen en gaten in het CSR-gebied nog steeds aanwezig zijn.
Wanneer de collectorspanning Vce van de IGBT stijgt tot de busspanning, daalt de collectorstroom snel. De daalsnelheid van de IC wordt bepaald door de eigenschappen van het apparaat zelf, dat niet langer door de gate wordt aangestuurd. Fig. 8 komt overeen met t3-t4 in Fig. 4. Na de voltooiing van deze fase zijn er nog steeds een paar dragers over in het CSR-gebied, en de eliminatie van de resterende dragers wordt voornamelijk bepaald door hun recombinatiesnelheid, die extern als volgstroom lijkt.
Op dit punt begrijpt u wellicht dat het al dan niet kunnen regelen van de stroomvalsnelheid van de IGBT-collector door de gate afhangt van de vraag of de door het MOS-kanaal geïnjecteerde elektronenstroom nog steeds een rol speelt in de IGBT-stroomvalfase. Hier kunnen we de formule gebruiken om de uitschakeldalingssnelheid van IGBT te beschrijven:
Het is niet moeilijk om uit de formule af te leiden dat In1 een bepaald recht van spreken moet hebben om de dalende helling van de collectorstroom te beheersen wanneer deze is uitgeschakeld. Hoe kunnen we het aandeel van de elektronenstroom in het MOS-kanaal vergroten?
Er zijn twee methoden: de eerste is om de uitschakelsnelheid van de IGBT te vertragen en de andere is om elektronenstroom in de gate te injecteren. Momenteel zijn beide methoden succesvol toepasbaar in IGBT-gate-drives. Wat zijn de manieren om de uitschakelsnelheid te vertragen? Natuurlijk is het mogelijk om de weerstand te vergroten, maar de uitschakelvertraging of het verlies is erg groot, wat het verlies niet waard is; De andere methode is om actieve aandrijftechnologie te gebruiken en maatregelen te nemen om de uitschakelsnelheid van IGBT's alleen te vertragen wanneer de IGBT-stroom daalt. Deze methode kan een goed compromis bereiken tussen schakelvertraging, overspanning en verlies. De binnenlandse digitale driver van Feishide heeft deze functie, zodat geïnteresseerden er meer over kunnen leren (het is hier geen reclame, het is puur technische uitwisseling)! Hoe moet je dan stroom in de poort injecteren? Dit is wat we vaak collectorspanning-actieve klemtechnologie noemen.
Disclaimer: dit artikel is overgenomen van "Automotive Semiconductor Intelligence Bureau". Dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur en vertegenwoordigt niet de mening van Sacco Micro en de industrie. Het herdrukken en delen is alleen bedoeld om de bescherming van intellectuele eigendomsrechten te ondersteunen. Vermeld bij herdruk de originele bron en auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.
Bedrijf Tel: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li
Vraag: 332496225 Manager Qiu
Adres: Kamer 809, Blok C, Zhantao Technology Building, No.1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen
Gerelateerde aanbevelingen
粤公网安备44030002007346号