Hotline usługi
Felietonista
Felietonista
Na czym polega proces obrotu IGBT? (Wykład 1)
2022-03-17
1493
Osoby zajmujące się elektroniką mocy mogą znać tranzystor IGBT. Jego pełna nazwa to tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (Insulated Gate Bipolar Transistor). Jest to w pełni sterowany, kompozytowy element półprzewodnikowy mocy, składający się z tranzystora polowego z izolowaną bramką (MOS) i tranzystora bipolarnego (BJT). Jest powszechnie znany jako „procesor” urządzeń elektroniki mocy. Poprzez sygnał sterujący bramką o napięciu powyżej dziesięciu woltów, Może realizować kontrolę napięcia kV i prądu kA. Jako strategiczny krajowy przemysł wschodzący, jest szeroko stosowany w transporcie kolejowym, inteligentnych sieciach, oszczędzaniu energii w przemyśle, pojazdach elektrycznych i nowym sprzęcie energetycznym.Ale czy naprawdę znasz IGBT? Dzisiaj omówimy proces wyłączania tranzystora IGBT. Zanim zaczniemy, zadajmy sobie pytanie. Możesz je rozważyć. Rysunek 1 przedstawia zależność między rezystancją bramki tranzystora IGBT w momencie wyłączania a skokiem napięcia:
Rysunek 1. Zależność między przepięciem wyłączającym IGBT a rezystancją bramki [1]Czy wraz ze wzrostem rezystancji bramki IGBT wzrośnie skok napięcia? Co to za duch? Czy jest inaczej niż myśleliśmy?Przyjrzyjmy się zależności między rezystancją wyłączania a stratą wyłączania tranzystora IGBT. Z rysunku 2 wynika, że rezystancja wyłączania tranzystora IGBT ma niewielki wpływ na stratę wyłączania.
Z powyższych dwóch rysunków wynika, że wpływanie na charakterystykę wyłączania tranzystora IGBT poprzez rezystancję bramki nie jest idealnym rozwiązaniem. Niemniej jednak, czy istnieje jakieś rozwiązanie? Muszą być jakieś metody, najpierw sprzedaj uwięzionego syna, a potem pogadamy o tym później!Dzisiaj pokrótce omówimy proces wyłączania IGBT i przeanalizujemy przyczyny powyższego zjawiska od podstaw.Aby zrozumieć proces wyłączania tranzystora IGBT, konieczne jest krótkie omówienie zasady jego działania. Jak wspomniano wcześniej, IGBT to element mocy składający się z tranzystora MOS i tranzystora BJT. Rysunek 1 przedstawia strukturę wewnętrzną i schemat zastępczy tranzystora IGBT NPT. Wszyscy wiemy, że tranzystor IGBT jest tranzystorem bipolarnym, co oznacza, że w przewodzeniu uczestniczą zarówno elektrony, jak i dziury. Zakładając, że prąd elektronów płynący przez tranzystor MOS wynosi in, a prąd dziury płynący przez tranzystor pnp wynosi Ip, prąd kolektora IC płynący przez tranzystor IGBT wynosi in+IP.
Zgodnie z zasadą działania tranzystora istnieje następująca zależność pomiędzy prądem kolektora Ip i prądem bazy in tranzystora PNP:
βpnp jest współczynnikiem wzmocnienia prądu wspólnego emitera tranzystora, a αpnp jest współczynnikiem wzmocnienia prądu wspólnej bazy tranzystora. Należy zauważyć, że tranzystor PNP po stronie kolektora IGBT jest równoważny jedynie pod względem struktury tranzystorowi PNP, co znacznie odbiega od parametrów tranzystora faktycznie wykorzystywanego do wzmacniania prądu [3]. Prawdziwy tranzystor może wzmacniać prąd, tj. Ip>>In, natomiast w przypadku IGBT prąd elektronów In jest zasadniczo równy prądowi dziur Ip.Po rozmowie o tranzystorach, porozmawiajmy o MOS. Wszyscy wiemy, że MOS jest urządzeniem sterowanym napięciem. Prąd kanału In tranzystora MOS ma następującą zależność od napięcia bramki w procesie przełączania:
We wzorze tym Kp jest współczynnikiem związanym z konstrukcją urządzenia i charakterystyką nośnika, a Vge,th jest napięciem progowym.W tym momencie dla wszystkich powinno być już jasne, że napięciem bramki IGBT sterujemy w rzeczywistości wewnętrzny tranzystor MOS, na który bezpośrednio wpływa prąd elektronów In, podczas gdy prąd dziur Ip nie jest bezpośrednio związany z napięciem bramki Vge.Wracając do tematu, przyjrzyjmy się procesowi wyłączania tranzystora IGBT. Zazwyczaj proces wyłączania tranzystora IGBT można podzielić na pięć etapów, w zależności od jego charakterystyki zewnętrznej, jak pokazano na poniższym rysunku:
4. IGBT 断外特性
Etap 1 (t0-t1): kondensator bramki rozładowuje się, a napięcie bramki spada wykładniczo do napięcia platformy Maitreya Vgep. Etap 2 (t1-t2): W etapie platformy Maitreya napięcie bramki pozostaje zasadniczo niezmienione, a napięcie Vgep zależy od prądu obciążenia. Prąd bramki ładuje kondensator Maitreya, a napięcie kolektora nieznacznie rośnie. Etap 3 (t2-t3): W etapie wzrostu napięcia kolektora, napięcie kolektora Vce tranzystora IGBT szybko wzrasta do napięcia magistrali. Jednocześnie napięcie bramki spada z platformy Maitreya Vgep do napięcia progowego Vge,th, a bramka zostaje całkowicie wyłączona. Etap 4 (t3-t4): W etapie spadku prądu kolektora, napięcie kolektora tranzystora IGBT wzrasta do napięcia magistrali Vdc, a dioda odpowiadająca tranzystorowi IGBT przechodzi w stan przewodzenia, a prąd obciążenia jest szybko przenoszony z tranzystora IGBT na diodę. Prąd Ic gwałtownie spada do prądu spływającego, a napięcie kolektora wykazuje pewne przekroczenie napięcia z powodu obecności indukcyjności błądzącej. Etap 5 (t4-t5): Proces spływania prądu, szybkość spadku prądu w tym etapie jest głównie determinowana przez czas życia nośników w urządzeniu. Niektórzy mogą pytać, dlaczego bramka jest wyłączana, gdy prąd zaczyna spadać. Wiele prac naukowych pokazuje, że gdy prąd kolektora tranzystora IGBT spadnie do 0, bramka się wyłączy. Te rysunki nie stanowią problemu dla zrozumienia charakterystyki przełączania tranzystora IGBT. Ściśle rzecz biorąc, istnieją pewne problemy, ale nie wdawajmy się w szczegóły. W rzeczywistości trudno nam sprawdzić, kiedy bramka tranzystora IGBT jest wyłączona, ponieważ w końcu nie badamy półprzewodników i nie znamy wielu parametrów! Poniżej opisano proces wyłączania tranzystora IGBT z poziomu mechanizmu wewnętrznego: Najpierw przyjrzyjmy się rozkładowi nośników wewnętrznych przed wyłączeniem tranzystora IGBT. Rys. 5 odpowiada rozkładowi nośników wewnętrznych w IGBT przed t0 na rys. 4, tj. w stanie włączenia. Tutaj omawiamy głównie rozkład nośników w obszarze N-bazy, ponieważ charakterystyki przełączania IGBT są głównie zależne od nośników w obszarze N-bazy. W stanie włączenia obszar N-bazy jest pełen elektronów i dziur, więc obszar ten można również nazwać obszarem magazynowania nośników (CSR) lub plazmą. Podczas procesu włączenia prąd elektronów i prąd dziur w obszarze bazy IGBT wynoszą w przybliżeniu 3:1, głównie dlatego, że ruchliwość elektronów jest trzy razy większa niż dziur w tych samych warunkach [4].
Gdy do bramki IGBT zostanie przyłożone napięcie zerowe lub ujemne, urządzenie przechodzi w proces wyłączania. Po pierwsze, wraz ze spadkiem napięcia bramki, prąd elektronów wstrzykiwany z obszaru źródła N+ do obszaru bazy N- poprzez kanał MOS stopniowo maleje, podczas gdy prąd kolektora zewnętrznego pozostaje niezmieniony pod wpływem indukcyjności obciążenia, więc prąd elektronów i prąd dziur wewnątrz modułu IGBT będą odchylać się od ich pierwotnego stanu równowagi. Rys. 3 przedstawia zmianę nośników w obszarze N-zasady IGBT na tym etapie, co odpowiada rozkładowi nośników w t0-t3 na rys. 4, w którym duża liczba par elektronów i dziur nadal występuje w obszarze CSR po lewej stronie obszaru N-zasady. Po prawej stronie obszaru N-bazy znajduje się obszar ładunku kosmicznego (SCR), który nie zawiera nośników resztkowych i może być również nazywany warstwą zubożoną. Podczas wyłączania tranzystora IGBT obszar ten przenosi napięcie, a prąd elektronów w obszarze SCR stopniowo maleje, podczas gdy prąd dziur stopniowo rośnie.
Gdy napięcie bramki IGBT spada dalej do napięcia progowego Vgeth, wewnętrzny kanał przewodzenia MOS zostaje całkowicie wyłączony, a napięcie In1 wynosi 0, co powoduje odcięcie prądu bazy tranzystora PNP. Emiter tranzystora PNP nie będzie już wstrzykiwał dziur do obszaru bazy N. Rys. 7 odpowiada charakterystyce t3 tranzystora IGBT. W tym momencie prąd elektronów w obszarze ładunku przestrzennego wynosi zero, a prąd obciążenia jest w pełni utrzymywany przez prąd dziur Ip1, podczas gdy elektrony i dziury w obszarze CSR nadal istnieją.
Gdy napięcie kolektora Vce tranzystora IGBT wzrośnie do napięcia magistrali, prąd kolektora gwałtownie spadnie, a szybkość spadku prądu układu scalonego IC będzie określona przez charakterystykę samego urządzenia, które nie będzie już kontrolowane przez bramkę. Rys. 8 odpowiada t3-t4 na rys. 4. XNUMX. Po zakończeniu tego etapu na obszarze CSR pozostaje jeszcze niewielka liczba nośników, a o eliminacji pozostałych nośników decyduje głównie szybkość ich rekombinacji, która objawia się na zewnątrz prądem końcowym.
W tym momencie możesz zrozumieć, że to, czy spadek prądu kolektora IGBT może być kontrolowany przez bramkę, zależy od tego, czy prąd elektronów wstrzykiwany przez kanał MOS nadal odgrywa rolę w spadku prądu stopnia IGBT. Tutaj możemy użyć wzoru opisującego szybkość spadku wyłączania IGBT:
Ze wzoru nietrudno wywnioskować, że In1 musi mieć pewne prawo do mówienia, aby sterować opadającym zboczem prądu kolektora przy jego wyłączeniu. Jak możemy zwiększyć udział prądu elektronowego w kanale MOS?
Istnieją dwie metody. Pierwsza polega na spowolnieniu szybkości wyłączania IGBT, a druga na wstrzyknięciu prądu elektronowego do bramki. Obecnie obie metody znajdują dobre zastosowanie w sterowaniu bramką IGBT. Jakie są sposoby na spowolnienie szybkości wyłączania? Oczywiście możliwe jest zwiększenie rezystancji, ale opóźnienie wyłączenia lub strata jest bardzo duża, co nie jest warte straty; Inną metodą jest zastosowanie technologii aktywnego sterowania i spowolnienie szybkości wyłączania tranzystora IGBT tylko w przypadku spadku prądu w tym tranzystorze. Ta metoda pozwala osiągnąć dobry kompromis między opóźnieniem przełączania, przepięciem i stratami. Krajowy sterownik cyfrowy Feishide posiada taką funkcję, więc zainteresowani mogą się z nią zapoznać (to nie jest tu reklama, to wymiana czysto techniczna)! Jak w takim razie podać prąd do bramki? To jest to, co często nazywamy technologią aktywnego mocowania napięcia kolektora.
Rysunek 1. Zależność między przepięciem wyłączającym IGBT a rezystancją bramki [1]Czy wraz ze wzrostem rezystancji bramki IGBT wzrośnie skok napięcia? Co to za duch? Czy jest inaczej niż myśleliśmy?Przyjrzyjmy się zależności między rezystancją wyłączania a stratą wyłączania tranzystora IGBT. Z rysunku 2 wynika, że rezystancja wyłączania tranzystora IGBT ma niewielki wpływ na stratę wyłączania.
Z powyższych dwóch rysunków wynika, że wpływanie na charakterystykę wyłączania tranzystora IGBT poprzez rezystancję bramki nie jest idealnym rozwiązaniem. Niemniej jednak, czy istnieje jakieś rozwiązanie? Muszą być jakieś metody, najpierw sprzedaj uwięzionego syna, a potem pogadamy o tym później!Dzisiaj pokrótce omówimy proces wyłączania IGBT i przeanalizujemy przyczyny powyższego zjawiska od podstaw.Aby zrozumieć proces wyłączania tranzystora IGBT, konieczne jest krótkie omówienie zasady jego działania. Jak wspomniano wcześniej, IGBT to element mocy składający się z tranzystora MOS i tranzystora BJT. Rysunek 1 przedstawia strukturę wewnętrzną i schemat zastępczy tranzystora IGBT NPT. Wszyscy wiemy, że tranzystor IGBT jest tranzystorem bipolarnym, co oznacza, że w przewodzeniu uczestniczą zarówno elektrony, jak i dziury. Zakładając, że prąd elektronów płynący przez tranzystor MOS wynosi in, a prąd dziury płynący przez tranzystor pnp wynosi Ip, prąd kolektora IC płynący przez tranzystor IGBT wynosi in+IP.
Zgodnie z zasadą działania tranzystora istnieje następująca zależność pomiędzy prądem kolektora Ip i prądem bazy in tranzystora PNP:
βpnp jest współczynnikiem wzmocnienia prądu wspólnego emitera tranzystora, a αpnp jest współczynnikiem wzmocnienia prądu wspólnej bazy tranzystora. Należy zauważyć, że tranzystor PNP po stronie kolektora IGBT jest równoważny jedynie pod względem struktury tranzystorowi PNP, co znacznie odbiega od parametrów tranzystora faktycznie wykorzystywanego do wzmacniania prądu [3]. Prawdziwy tranzystor może wzmacniać prąd, tj. Ip>>In, natomiast w przypadku IGBT prąd elektronów In jest zasadniczo równy prądowi dziur Ip.Po rozmowie o tranzystorach, porozmawiajmy o MOS. Wszyscy wiemy, że MOS jest urządzeniem sterowanym napięciem. Prąd kanału In tranzystora MOS ma następującą zależność od napięcia bramki w procesie przełączania:
We wzorze tym Kp jest współczynnikiem związanym z konstrukcją urządzenia i charakterystyką nośnika, a Vge,th jest napięciem progowym.W tym momencie dla wszystkich powinno być już jasne, że napięciem bramki IGBT sterujemy w rzeczywistości wewnętrzny tranzystor MOS, na który bezpośrednio wpływa prąd elektronów In, podczas gdy prąd dziur Ip nie jest bezpośrednio związany z napięciem bramki Vge.Wracając do tematu, przyjrzyjmy się procesowi wyłączania tranzystora IGBT. Zazwyczaj proces wyłączania tranzystora IGBT można podzielić na pięć etapów, w zależności od jego charakterystyki zewnętrznej, jak pokazano na poniższym rysunku:
4. IGBT 断外特性Etap 1 (t0-t1): kondensator bramki rozładowuje się, a napięcie bramki spada wykładniczo do napięcia platformy Maitreya Vgep. Etap 2 (t1-t2): W etapie platformy Maitreya napięcie bramki pozostaje zasadniczo niezmienione, a napięcie Vgep zależy od prądu obciążenia. Prąd bramki ładuje kondensator Maitreya, a napięcie kolektora nieznacznie rośnie. Etap 3 (t2-t3): W etapie wzrostu napięcia kolektora, napięcie kolektora Vce tranzystora IGBT szybko wzrasta do napięcia magistrali. Jednocześnie napięcie bramki spada z platformy Maitreya Vgep do napięcia progowego Vge,th, a bramka zostaje całkowicie wyłączona. Etap 4 (t3-t4): W etapie spadku prądu kolektora, napięcie kolektora tranzystora IGBT wzrasta do napięcia magistrali Vdc, a dioda odpowiadająca tranzystorowi IGBT przechodzi w stan przewodzenia, a prąd obciążenia jest szybko przenoszony z tranzystora IGBT na diodę. Prąd Ic gwałtownie spada do prądu spływającego, a napięcie kolektora wykazuje pewne przekroczenie napięcia z powodu obecności indukcyjności błądzącej. Etap 5 (t4-t5): Proces spływania prądu, szybkość spadku prądu w tym etapie jest głównie determinowana przez czas życia nośników w urządzeniu. Niektórzy mogą pytać, dlaczego bramka jest wyłączana, gdy prąd zaczyna spadać. Wiele prac naukowych pokazuje, że gdy prąd kolektora tranzystora IGBT spadnie do 0, bramka się wyłączy. Te rysunki nie stanowią problemu dla zrozumienia charakterystyki przełączania tranzystora IGBT. Ściśle rzecz biorąc, istnieją pewne problemy, ale nie wdawajmy się w szczegóły. W rzeczywistości trudno nam sprawdzić, kiedy bramka tranzystora IGBT jest wyłączona, ponieważ w końcu nie badamy półprzewodników i nie znamy wielu parametrów! Poniżej opisano proces wyłączania tranzystora IGBT z poziomu mechanizmu wewnętrznego: Najpierw przyjrzyjmy się rozkładowi nośników wewnętrznych przed wyłączeniem tranzystora IGBT. Rys. 5 odpowiada rozkładowi nośników wewnętrznych w IGBT przed t0 na rys. 4, tj. w stanie włączenia. Tutaj omawiamy głównie rozkład nośników w obszarze N-bazy, ponieważ charakterystyki przełączania IGBT są głównie zależne od nośników w obszarze N-bazy. W stanie włączenia obszar N-bazy jest pełen elektronów i dziur, więc obszar ten można również nazwać obszarem magazynowania nośników (CSR) lub plazmą. Podczas procesu włączenia prąd elektronów i prąd dziur w obszarze bazy IGBT wynoszą w przybliżeniu 3:1, głównie dlatego, że ruchliwość elektronów jest trzy razy większa niż dziur w tych samych warunkach [4].
Gdy do bramki IGBT zostanie przyłożone napięcie zerowe lub ujemne, urządzenie przechodzi w proces wyłączania. Po pierwsze, wraz ze spadkiem napięcia bramki, prąd elektronów wstrzykiwany z obszaru źródła N+ do obszaru bazy N- poprzez kanał MOS stopniowo maleje, podczas gdy prąd kolektora zewnętrznego pozostaje niezmieniony pod wpływem indukcyjności obciążenia, więc prąd elektronów i prąd dziur wewnątrz modułu IGBT będą odchylać się od ich pierwotnego stanu równowagi. Rys. 3 przedstawia zmianę nośników w obszarze N-zasady IGBT na tym etapie, co odpowiada rozkładowi nośników w t0-t3 na rys. 4, w którym duża liczba par elektronów i dziur nadal występuje w obszarze CSR po lewej stronie obszaru N-zasady. Po prawej stronie obszaru N-bazy znajduje się obszar ładunku kosmicznego (SCR), który nie zawiera nośników resztkowych i może być również nazywany warstwą zubożoną. Podczas wyłączania tranzystora IGBT obszar ten przenosi napięcie, a prąd elektronów w obszarze SCR stopniowo maleje, podczas gdy prąd dziur stopniowo rośnie.
Gdy napięcie bramki IGBT spada dalej do napięcia progowego Vgeth, wewnętrzny kanał przewodzenia MOS zostaje całkowicie wyłączony, a napięcie In1 wynosi 0, co powoduje odcięcie prądu bazy tranzystora PNP. Emiter tranzystora PNP nie będzie już wstrzykiwał dziur do obszaru bazy N. Rys. 7 odpowiada charakterystyce t3 tranzystora IGBT. W tym momencie prąd elektronów w obszarze ładunku przestrzennego wynosi zero, a prąd obciążenia jest w pełni utrzymywany przez prąd dziur Ip1, podczas gdy elektrony i dziury w obszarze CSR nadal istnieją.
Gdy napięcie kolektora Vce tranzystora IGBT wzrośnie do napięcia magistrali, prąd kolektora gwałtownie spadnie, a szybkość spadku prądu układu scalonego IC będzie określona przez charakterystykę samego urządzenia, które nie będzie już kontrolowane przez bramkę. Rys. 8 odpowiada t3-t4 na rys. 4. XNUMX. Po zakończeniu tego etapu na obszarze CSR pozostaje jeszcze niewielka liczba nośników, a o eliminacji pozostałych nośników decyduje głównie szybkość ich rekombinacji, która objawia się na zewnątrz prądem końcowym.
W tym momencie możesz zrozumieć, że to, czy spadek prądu kolektora IGBT może być kontrolowany przez bramkę, zależy od tego, czy prąd elektronów wstrzykiwany przez kanał MOS nadal odgrywa rolę w spadku prądu stopnia IGBT. Tutaj możemy użyć wzoru opisującego szybkość spadku wyłączania IGBT:
Ze wzoru nietrudno wywnioskować, że In1 musi mieć pewne prawo do mówienia, aby sterować opadającym zboczem prądu kolektora przy jego wyłączeniu. Jak możemy zwiększyć udział prądu elektronowego w kanale MOS?
Istnieją dwie metody. Pierwsza polega na spowolnieniu szybkości wyłączania IGBT, a druga na wstrzyknięciu prądu elektronowego do bramki. Obecnie obie metody znajdują dobre zastosowanie w sterowaniu bramką IGBT. Jakie są sposoby na spowolnienie szybkości wyłączania? Oczywiście możliwe jest zwiększenie rezystancji, ale opóźnienie wyłączenia lub strata jest bardzo duża, co nie jest warte straty; Inną metodą jest zastosowanie technologii aktywnego sterowania i spowolnienie szybkości wyłączania tranzystora IGBT tylko w przypadku spadku prądu w tym tranzystorze. Ta metoda pozwala osiągnąć dobry kompromis między opóźnieniem przełączania, przepięciem i stratami. Krajowy sterownik cyfrowy Feishide posiada taką funkcję, więc zainteresowani mogą się z nią zapoznać (to nie jest tu reklama, to wymiana czysto techniczna)! Jak w takim razie podać prąd do bramki? To jest to, co często nazywamy technologią aktywnego mocowania napięcia kolektora.
Zastrzeżenie: Ten artykuł pochodzi z „Automotive Semiconductor Intelligence Bureau”. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania w celu wspierania ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.
Tel firmy: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li
QQ: 332496225 Menedżer Qiu
Adres: pokój 809, blok C, budynek Zhantao Technology, nr 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen
Powiązane rekomendacje
粤公网安备44030002007346号