مقالهنویس
مقالهنویس
فرآیند گردش مالی IGBT چیست؟ (سخنرانی 1)
2022-03-17 1493
کسانی که در حوزه الکترونیک قدرت فعالیت دارند، ممکن است با IGBT آشنا باشند. نام کامل آن ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌بندی شده است که یک قطعه نیمه‌هادی قدرت کاملاً کنترل‌شده مرکب است که از MOS (ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق‌بندی شده) و BJT (ترانزیستور دوقطبی) تشکیل شده است. این قطعه معمولاً به عنوان "CPU" دستگاه‌های الکترونیک قدرت شناخته می‌شود. از طریق یک سیگنال کنترل گیت بیش از ده ولت، این می تواند کنترل ولتاژ kV و جریان kA را درک کند. به عنوان یک صنعت نوظهور استراتژیک ملی، به طور گسترده در حمل و نقل ریلی، شبکه هوشمند، صرفه جویی در انرژی صنعتی، وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات انرژی جدید استفاده می شود.اما آیا واقعاً IGBT را می‌شناسید؟ امروز، بیایید در مورد فرآیند خاموش کردن IGBT بحث کنیم. قبل از شروع، بیایید یک سوال مطرح کنیم. می‌توانید آن را در نظر بگیرید. شکل 1 رابطه بین مقاومت گیت خاموش IGBT و افزایش ناگهانی ولتاژ را نشان می‌دهد:
 
شکل 1. رابطه بین اضافه ولتاژ خاموش شدن IGBT و مقاومت گیت [1]وقتی مقاومت گیت آف IGBT افزایش یابد، افزایش ولتاژ ناگهانی (spike) نیز بیشتر خواهد شد؟ این چه روحیه؟ آیا با آن چیزی که ما فکر می کردیم متفاوت است؟بیایید به رابطه بین مقاومت قطع و تلفات قطع IGBT نگاهی بیندازیم. از شکل ۲ می‌توان دریافت که مقاومت قطع IGBT تأثیر کمی بر تلفات قطع دارد.
 


 از دو تصویر بالا، به نظر می‌رسد که تأثیرگذاری بر مشخصه‌های خاموش شدن IGBT از طریق مقاومت گیت ایده‌آل نیست. با این حال، این مورد وجود دارد، بنابراین آیا راه حلی وجود ندارد؟ حتماً روش هایی وجود دارد، اول یک پسر زندانی را بفروشید، بعداً در مورد آن صحبت می کنیم!امروز، بیایید به طور خلاصه در مورد فرآیند خاموش شدن IGBT صحبت کنیم و علل پدیده فوق را از ریشه تحلیل کنیم.برای درک فرآیند خاموش کردن IGBT، لازم است به طور خلاصه اصول کار IGBT را بررسی کنیم. همانطور که قبلاً ذکر شد، IGBT یک قطعه قدرت متشکل از MOS و BJT است. شکل ۱ ساختار داخلی و مدار معادل IGBT از نوع NPT را نشان می‌دهد. همه ما می‌دانیم که IGBT یک قطعه دوقطبی است، یعنی هم الکترون‌ها و هم حفره‌ها در رسانش شرکت می‌کنند. با فرض اینکه جریان الکترونی که از MOS عبور می‌کند ورودی و جریان حفره‌ای که از ترانزیستور pnp می‌گذرد Ip باشد، جریان کلکتور IC که از IGBT عبور می‌کند ورودی+IP است.  
 


 
 با توجه به اصل کار ترانزیستور، رابطه زیر بین جریان کلکتور IP و جریان پایه در ترانزیستور PNP وجود دارد: 


  βpnp ضریب تقویت جریان امیتر رایج ترانزیستور است و αpnp ضریب تقویت جریان پایه رایج ترانزیستور است. لازم به ذکر است که ترانزیستور PNP در سمت کلکتور IGBT تنها از نظر ساختار معادل ترانزیستور PNP است، که از نظر عملکرد با ترانزیستوری که واقعاً برای تقویت جریان استفاده می‌شود، فاصله زیادی دارد [3]. ترانزیستور واقعی می‌تواند جریان، یعنی Ip>>In را تقویت کند، در حالی که برای IGBT، جریان الکترون In اساساً برابر با جریان حفره Ip است.بعد از صحبت در مورد ترانزیستورها، اجازه دهید در مورد MOS صحبت کنیم. همه ما می دانیم که MOS یک دستگاه کنترل ولتاژ است. جریان کانال ورودی MOS رابطه زیر با ولتاژ گیت در فرآیند سوئیچینگ دارد:
   
  در این فرمول Kp ضریب مربوط به ساختار دستگاه و خصوصیات حامل و Vge,th ولتاژهای آستانه هستند.در این مرحله، شاید برای همه کمی واضح شده باشد که آنچه ما ولتاژ گیت IGBT را کنترل می‌کنیم، در واقع MOS داخلی است که مستقیماً تحت تأثیر جریان الکترون In قرار دارد، در حالی که جریان حفره Ip ارتباط مستقیمی با ولتاژ گیت Vge ندارد.برگردیم به موضوع، بیایید نگاهی به فرآیند خاموش کردن IGBT بیندازیم. معمولاً فرآیند خاموش کردن IGBT را می‌توان با توجه به ویژگی‌های خارجی آن به پنج مرحله تقسیم کرد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است:
    4. IGBT关断外特性
 
مرحله ۱ (t1-t0): خازن گیت دشارژ می‌شود و ولتاژ گیت به صورت نمایی تا ولتاژ پلتفرم Maitreya Vgep کاهش می‌یابد. مرحله ۲ (t1-t2): در مرحله پلتفرم Maitreya، ولتاژ گیت اساساً بدون تغییر است و ولتاژ Vgep به جریان بار بستگی دارد. جریان گیت، خازن Maitreya را شارژ می‌کند و ولتاژ کلکتور کمی افزایش می‌یابد. مرحله ۳ (t1-t2): در مرحله افزایش ولتاژ کلکتور، ولتاژ کلکتور Vce مربوط به IGBT به سرعت به ولتاژ باس افزایش می‌یابد. همزمان، ولتاژ گیت از پلتفرم Maitreya Vgep به ولتاژ آستانه Vge,th کاهش می‌یابد و گیت کاملاً خاموش می‌شود. مرحله ۴ (t3-t2): در مرحله کاهش جریان کلکتور، ولتاژ کلکتور IGBT به ولتاژ باس Vdc افزایش یافته است و دیود مربوط به IGBT وارد مرحله هدایت مستقیم می‌شود و جریان بار به سرعت از IGBT به دیود منتقل می‌شود. جریان Ic به سرعت به جریان پسین افت می‌کند و ولتاژ کلکتور به دلیل وجود اندوکتانس سرگردان، دچار جهش ولتاژ مشخصی می‌شود. مرحله 3 (t4-t3): فرآیند جریان پسین، سرعت کاهش جریان در این مرحله عمدتاً توسط طول عمر حامل دستگاه تعیین می‌شود. برخی افراد ممکن است بپرسند که چرا وقتی جریان شروع به افت می‌کند، گیت خاموش می‌شود. بسیاری از مقالات نشان می‌دهند که وقتی جریان کلکتور IGBT به 4 کاهش می‌یابد، گیت خاموش می‌شود. این ارقام در درک ساده ویژگی‌های سوئیچینگ IGBT مشکلی ندارند. به طور دقیق، برخی مشکلات وجود دارد، اما بیایید خیلی درگیر نشویم. در واقع، آزمایش خاموش بودن گیت IGBT برای ما دشوار است، زیرا ما در حال مطالعه نیمه‌هادی‌ها نیستیم و پارامترهای زیادی را نمی‌دانیم! در ادامه فرآیند خاموش شدن IGBT از سطح مکانیسم داخلی شرح داده شده است: ابتدا، به توزیع حامل‌های داخلی قبل از خاموش شدن IGBT نگاه کنید. شکل 5 مربوط به توزیع حامل‌های داخلی در IGBT قبل از t4 در شکل 5، یعنی در حالت روشن است. در اینجا، ما عمدتاً توزیع حامل‌ها را در ناحیه N-base مورد بحث قرار می‌دهیم، زیرا ویژگی‌های سوئیچینگ IGBT عمدتاً تحت تأثیر حامل‌ها در ناحیه N-base قرار دارند. در حالت روشن، ناحیه N-base پر از الکترون و حفره است، بنابراین می‌توان این ناحیه را ناحیه ذخیره حامل (CSR) یا پلاسما نیز نامید. در طول فرآیند حالت روشن، جریان الکترون و جریان حفره در ناحیه بیس IGBT تقریباً 0:5 است، عمدتاً به این دلیل که تحرک الکترون‌ها در شرایط یکسان سه برابر حفره‌ها است [0]. 
 

توزیع حامل قبل از زمان 0  
وقتی ولتاژ بایاس صفر یا منفی به گیت IGBT اعمال می‌شود، دستگاه وارد فرآیند خاموش شدن می‌شود. اولاً، با کاهش ولتاژ گیت، جریان الکترونی تزریق شده از ناحیه سورس N+ به ناحیه بیس N- از طریق کانال MOS به تدریج کاهش می‌یابد، در حالی که جریان کلکتور خارجی تحت تأثیر اندوکتانس بار بدون تغییر باقی می‌ماند، بنابراین جریان الکترون و جریان حفره درون ماژول IGBT از حالت تعادل اولیه خود منحرف می‌شوند. شکل ۳ تغییر حامل‌ها در ناحیه N-base IGBT را در این مرحله نشان می‌دهد، که مطابق با توزیع حامل‌ها در t3-t0 در شکل ۴ است، که در آن تعداد زیادی جفت الکترون و حفره هنوز در ناحیه CSR در سمت چپ ناحیه N-base وجود دارند. در سمت راست ناحیه N-base، یک ناحیه بار فضایی (SCR) وجود دارد که هیچ حامل باقیمانده‌ای ندارد و می‌توان آن را لایه تخلیه نیز نامید. در طول خاموش شدن IGBT، این ناحیه ولتاژ را حمل می‌کند و جریان الکترون در ناحیه SCR به تدریج کاهش می‌یابد، در حالی که جریان حفره به تدریج افزایش می‌یابد.
 

توزیع حامل در دوره 0-t3

هنگامی که ولتاژ گیت IGBT همچنان به ولتاژ آستانه Vgeth کاهش می‌یابد، کانال هدایت MOS داخلی کاملاً خاموش می‌شود و In1 برابر با 0 می‌شود که جریان بیس ترانزیستور PNP را قطع می‌کند. امیتر ترانزیستور PNP دیگر حفره‌هایی را به ناحیه N-base تزریق نخواهد کرد. شکل 7 مربوط به t3 از مشخصه خاموش IGBT است. در این زمان، جریان الکترون در ناحیه بار-فضا صفر است و جریان بار کاملاً توسط جریان حفره Ip1 حفظ می‌شود، در حالی که الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه CSR هنوز وجود دارند.
 

توزیع 3 ساعته کریر

وقتی ولتاژ کلکتور Vce مربوط به IGBT به ولتاژ باس افزایش می‌یابد، جریان کلکتور به سرعت افت می‌کند و نرخ افت جریان IC توسط ویژگی‌های خود قطعه تعیین می‌شود که دیگر توسط گیت کنترل نخواهد شد. شکل 8 مربوط به t3-t4 در شکل. 4. پس از اتمام این مرحله، هنوز چند حامل در ناحیه CSR باقی مانده است و حذف حامل های باقی مانده عمدتاً با نرخ نوترکیبی آنها تعیین می شود که به صورت جریان دنباله دار در خارج ظاهر می شود.
 

توزیع حامل در دوره 3-t4

در این مرحله، ممکن است متوجه شده باشید که آیا میزان افت جریان کلکتور IGBT می‌تواند توسط گیت کنترل شود یا خیر، بستگی به این دارد که آیا جریان الکترون تزریق شده توسط کانال MOS هنوز در مرحله افت جریان IGBT نقش دارد یا خیر. در اینجا می‌توانیم از فرمول برای توصیف نرخ کاهش خاموشی IGBT استفاده کنیم:
   
  دشوار نیست که از فرمول بفهمیم که In1 باید حق خاصی برای صحبت داشته باشد تا شیب نزولی جریان کلکتور را در هنگام خاموش شدن کنترل کند. چگونه می توانیم نسبت جریان الکترونی کانال MOS را افزایش دهیم؟

دو روش وجود دارد، یکی کاهش سرعت خاموش شدن IGBT و دیگری تزریق جریان الکترون به گیت. در حال حاضر، هر دو روش کاربردهای خوبی در راه اندازی گیت IGBT دارند. راه های کاهش سرعت خاموش شدن چیست؟ البته می توان مقاومت را افزایش داد، اما تاخیر خاموش یا ضرر بسیار زیاد است که ارزش از دست دادن را ندارد. روش دیگر، اتخاذ فناوری درایو فعال و انجام اقداماتی برای کاهش سرعت خاموش شدن IGBT تنها زمانی است که جریان IGBT افت می‌کند. این روش می‌تواند به یک مصالحه خوب بین تأخیر سوئیچینگ، اضافه ولتاژ و تلفات دست یابد. درایور دیجیتال فیشاید داخلی این عملکرد را دارد، بنابراین علاقه مندان می توانند با آن آشنا شوند (اینجا تبلیغات نیست، صرفاً تبادل فنی است)! سپس چگونه می توان جریان را به گیت تزریق کرد؟ این همان چیزی است که ما اغلب آن را فناوری گیره فعال ولتاژ کلکتور می نامیم.




سلب مسئولیت: این مقاله از "دفتر اطلاعات نیمه هادی خودرو" تکثیر شده است. این مقاله فقط دیدگاه های شخصی نویسنده را نشان می دهد و دیدگاه های Sacco Micro و صنعت را نشان نمی دهد. این فقط برای تجدید چاپ و به اشتراک گذاری برای حمایت از حمایت از حقوق مالکیت معنوی است. لطفاً هنگام چاپ مجدد منبع و نویسنده اصلی را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم.

تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی
QQ: 332496225 مدیر کیو
آدرس: اتاق 809، بلوک C، ساختمان فناوری Zhantao، خیابان Minzhi شماره 1079، منطقه جدید Longhua، شنژن


توصیه های مرتبط
whatsapp

خط تلفن خدمات

tel: +86 755 83044319

WhatsApp

Whatsapp:+8618073002950