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Quel est le processus de rotation des IGBT ? (Leçon 1)
2022-03-17
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Les spécialistes de l'électronique de puissance connaissent peut-être l'IGBT. Son nom complet signifie « transistor bipolaire à grille isolée ». Il s'agit d'un semi-conducteur de puissance composite entièrement contrôlé, composé d'un transistor MOS (transistor à effet de champ à grille isolée) et d'un transistor BJT (transistor bipolaire). Il est communément appelé « processeur » des dispositifs électroniques de puissance. Grâce à un signal de commande de grille de plus de dix volts, Il peut réaliser le contrôle de la tension kV et du courant kA. En tant qu'industrie émergente stratégique nationale, elle est largement utilisée dans le transport ferroviaire, les réseaux intelligents, les économies d'énergie industrielles, les véhicules électriques et les nouveaux équipements énergétiques.Mais connaissez-vous vraiment l’IGBT ? Aujourd'hui, nous allons aborder le processus de blocage des IGBT. Avant de commencer, posons-nous une question. Vous pouvez y réfléchir. La figure 1 illustre la relation entre la résistance de grille de blocage des IGBT et le pic de tension :
Figure 1. Relation entre la surtension de coupure de l'IGBT et la résistance de grille [1]Lorsque la résistance de grille de l'IGBT augmente, le pic de tension augmente-t-il ? Quel genre de fantôme est-ce ? Est-ce différent de ce que nous pensions ?Examinons la relation entre la résistance de coupure et les pertes de coupure d'un IGBT. La figure 2 montre que la résistance de coupure d'un IGBT a peu d'effet sur les pertes de coupure.
D'après les deux images ci-dessus, il semble qu'il ne soit pas idéal d'influencer les caractéristiques de coupure des IGBT par la résistance de grille. Or, c'est le cas ; n'y a-t-il donc pas de solution ? Il doit y avoir des méthodes, vendre d'abord un fils emprisonné, et ensuite on en reparlera plus tard !Aujourd'hui, parlons brièvement du processus d'arrêt de l'IGBT et analysons les causes du phénomène ci-dessus à partir de la racine.Pour comprendre le processus de désactivation d'un IGBT, il est nécessaire de rappeler brièvement son principe de fonctionnement. Comme mentionné précédemment, l'IGBT est un dispositif de puissance composé de transistors MOS et BJT. La figure 1 montre la structure interne et le circuit équivalent d'un IGBT NPT. Il est connu que l'IGBT est un dispositif bipolaire, c'est-à-dire que les électrons et les trous participent à la conduction. En supposant que le courant d'électrons circulant à travers le MOS est dans et que le courant de trou circulant à travers le transistor PNP est Ip, le courant de collecteur IC circulant à travers l'IGBT est dans + IP.
Selon le principe de fonctionnement du transistor, la relation suivante existe entre le courant de collecteur Ip et le courant de base in du transistor PNP :
βpnp est le facteur d'amplification du courant d'émetteur commun du transistor, et αpnp est le facteur d'amplification du courant de base commune du transistor. Il convient de noter que le transistor PNP du côté collecteur de l'IGBT n'est équivalent qu'au transistor PNP en termes de structure, ce qui est loin du transistor réellement utilisé pour l'amplification du courant en termes de performances [3]. Le transistor réel peut amplifier le courant, c'est-à-dire Ip>>In, tandis que pour l'IGBT, le courant électronique In est fondamentalement égal au courant de trou Ip.Après avoir parlé des transistors, parlons des MOS. Nous savons tous que le MOS est un appareil contrôlé en tension. Le courant de canal In du MOS a la relation suivante avec la tension de grille dans le processus de commutation :
Dans cette formule, Kp est le coefficient lié à la structure du dispositif et aux caractéristiques du porteur, et Vge,th sont les tensions de seuil.À ce stade, il peut être un peu clair pour tout le monde que ce que nous contrôlons, la tension de grille de l'IGBT, est en fait le MOS interne, qui est directement affecté par le courant électronique In, tandis que le courant de trou Ip n'est pas directement lié à la tension de grille Vge.Pour en revenir à notre sujet, examinons le processus de désactivation des IGBT. Ce processus peut généralement être divisé en cinq étapes selon leurs caractéristiques externes, comme illustré dans la figure suivante :
4. Appareils IGBT
Étape 1 (t0-t1) : le condensateur de grille se décharge et la tension de grille chute de façon exponentielle jusqu'à la tension Vgep de la plateforme Maitreya. Étape 2 (t1-t2) : dans la phase de la plateforme Maitreya, la tension de grille est fondamentalement inchangée et la tension Vgep dépend du courant de charge. Le courant de grille charge le condensateur Maitreya et la tension du collecteur augmente légèrement. Étape 3 (t2-t3) : dans la phase de tension de collecteur croissante, la tension de collecteur Vce de l'IGBT augmente rapidement jusqu'à la tension du bus. Dans le même temps, la tension de grille chute de la plateforme Maitreya Vgep à la tension de seuil Vge,th, et la grille est complètement désactivée. Étape 4 (t3-t4) : dans la phase de courant de collecteur décroissant, la tension de collecteur de l'IGBT a augmenté jusqu'à la tension du bus Vdc, et la diode correspondant à l'IGBT entre dans la phase de conduction directe, et le courant de charge est rapidement transféré de l'IGBT à la diode. Le courant de Ic chute rapidement jusqu'au courant de fuite, et la tension du collecteur présente un certain dépassement de tension dû à la présence d'une inductance parasite. Étape 5 (t4-t5) : Processus de courant de fuite. La vitesse de décroissance du courant à cette étape est principalement déterminée par la durée de vie des porteurs du composant. Certains peuvent se demander pourquoi la grille est bloquée lorsque le courant commence à chuter. De nombreux articles montrent que lorsque le courant de collecteur d'un IGBT chute à 0, la grille se bloque. Ces chiffres ne posent aucun problème pour comprendre simplement les caractéristiques de commutation d'un IGBT. À proprement parler, il existe quelques problèmes, mais ne nous étendons pas trop. En fait, il est difficile de tester le moment où la grille d'un IGBT est bloquée, car nous n'étudions pas les semi-conducteurs et nous ne connaissons pas beaucoup de paramètres ! Ce qui suit décrit le processus de blocage d'un IGBT du point de vue du mécanisme interne : tout d'abord, examinons la distribution des porteurs internes avant la désactivation de l'IGBT. La figure 5 représente la distribution des porteurs internes dans l'IGBT avant t0 (fig. 4), c'est-à-dire à l'état passant. Nous abordons ici principalement la distribution des porteurs dans la région de base N, car les caractéristiques de commutation de l'IGBT sont principalement affectées par les porteurs de cette région. À l'état passant, la région de base N est riche en électrons et en trous ; on peut donc également l'appeler région de stockage des porteurs (CSR) ou plasma. Pendant le processus de passage à l'état passant, les courants d'électrons et de trous dans la région de base de l'IGBT sont d'environ 3:1, principalement parce que la mobilité des électrons est trois fois supérieure à celle des trous dans les mêmes conditions [4].
Lorsqu'une tension de polarisation nulle ou négative est appliquée à la grille de l'IGBT, le dispositif entre dans le processus d'arrêt. Premièrement, avec la diminution de la tension de grille, le courant électronique injecté de la région source N+ vers la région base N- via le canal MOS diminue progressivement, tandis que le courant du collecteur externe reste inchangé sous l'influence de l'inductance de charge, de sorte que le courant électronique et le courant de trou à l'intérieur du module IGBT s'écarteront de leur état d'équilibre d'origine. La Fig. 3 illustre le changement des porteurs dans la région N-base de l'IGBT à ce stade, correspondant à la distribution des porteurs dans t0-t3 dans la Fig. 4, dans laquelle un grand nombre de paires d'électrons et de trous existent encore dans la région CSR sur le côté gauche de la région N-base. À droite de la région de base N se trouve une région de charge d'espace (SCR), dépourvue de porteurs résiduels et également appelée couche d'appauvrissement. Lors de la désactivation de l'IGBT, cette région est sous tension, et le courant d'électrons dans la région SCR diminue progressivement, tandis que le courant de trous augmente progressivement.
Lorsque la tension de grille de l'IGBT continue de diminuer jusqu'à la tension de seuil Vgeth, le canal de conduction MOS interne est complètement désactivé et In1 est à 0, ce qui coupe le courant de base du transistor PNP. L'émetteur du transistor PNP n'injecte plus de trous dans la région base N. La figure 7 correspond à t3 de la caractéristique hors tension de l'IGBT. À ce moment, le courant d'électrons dans la région de charge d'espace est nul et le courant de charge est entièrement maintenu par le courant de trous Ip1, tandis que les électrons et les trous dans la région CSR sont toujours présents.
Lorsque la tension du collecteur Vce de l'IGBT atteint la tension du bus, le courant du collecteur chute rapidement et le taux de chute du circuit intégré est déterminé par les caractéristiques du dispositif lui-même, qui ne seront plus contrôlées par la grille. La figure 8 correspond à t3-t4 sur la figure. 4. Après l'achèvement de cette étape, il reste encore quelques porteurs dans la zone CSR, et l'élimination des porteurs restants est principalement déterminée par leur taux de recombinaison, qui apparaît comme un courant de fuite à l'extérieur.
À ce stade, vous pouvez comprendre que le fait que le taux de chute de courant du collecteur IGBT puisse être contrôlé par la grille dépend du fait que le courant électronique injecté par le canal MOS joue toujours un rôle dans l'étape de chute de courant IGBT. Ici, nous pouvons utiliser la formule pour décrire le taux de déclin de désactivation de l'IGBT :
Il n'est pas difficile de déduire de la formule que In1 doit avoir un certain droit de parole afin de contrôler la pente décroissante du courant du collecteur lorsqu'il est éteint. Comment pouvons-nous augmenter la proportion de courant électronique du canal MOS ?
Il existe deux méthodes, l'une consiste à ralentir la vitesse d'extinction de l'IGBT et l'autre à injecter un courant d'électrons dans la grille. À l’heure actuelle, les deux méthodes ont de bonnes applications dans la commande de grille IGBT. Quels sont les moyens de ralentir la vitesse d’arrêt ? Bien sûr, il est possible d'augmenter la résistance, mais le délai de désactivation ou la perte est très important, ce qui ne vaut pas la perte ; L'autre méthode consiste à adopter une technologie de commande active et à ralentir la vitesse de coupure de l'IGBT uniquement lorsque son courant chute. Cette méthode offre un bon compromis entre délai de commutation, surtension et pertes. Le pilote numérique domestique Feishide a cette fonction, donc ceux qui sont intéressés peuvent en prendre connaissance (ce n'est pas de la publicité ici, c'est un échange purement technique) ! Alors comment injecter du courant dans la grille ? C'est ce que nous appelons souvent la technologie de serrage actif de tension du collecteur.
Figure 1. Relation entre la surtension de coupure de l'IGBT et la résistance de grille [1]Lorsque la résistance de grille de l'IGBT augmente, le pic de tension augmente-t-il ? Quel genre de fantôme est-ce ? Est-ce différent de ce que nous pensions ?Examinons la relation entre la résistance de coupure et les pertes de coupure d'un IGBT. La figure 2 montre que la résistance de coupure d'un IGBT a peu d'effet sur les pertes de coupure.
D'après les deux images ci-dessus, il semble qu'il ne soit pas idéal d'influencer les caractéristiques de coupure des IGBT par la résistance de grille. Or, c'est le cas ; n'y a-t-il donc pas de solution ? Il doit y avoir des méthodes, vendre d'abord un fils emprisonné, et ensuite on en reparlera plus tard !Aujourd'hui, parlons brièvement du processus d'arrêt de l'IGBT et analysons les causes du phénomène ci-dessus à partir de la racine.Pour comprendre le processus de désactivation d'un IGBT, il est nécessaire de rappeler brièvement son principe de fonctionnement. Comme mentionné précédemment, l'IGBT est un dispositif de puissance composé de transistors MOS et BJT. La figure 1 montre la structure interne et le circuit équivalent d'un IGBT NPT. Il est connu que l'IGBT est un dispositif bipolaire, c'est-à-dire que les électrons et les trous participent à la conduction. En supposant que le courant d'électrons circulant à travers le MOS est dans et que le courant de trou circulant à travers le transistor PNP est Ip, le courant de collecteur IC circulant à travers l'IGBT est dans + IP.
Selon le principe de fonctionnement du transistor, la relation suivante existe entre le courant de collecteur Ip et le courant de base in du transistor PNP :
βpnp est le facteur d'amplification du courant d'émetteur commun du transistor, et αpnp est le facteur d'amplification du courant de base commune du transistor. Il convient de noter que le transistor PNP du côté collecteur de l'IGBT n'est équivalent qu'au transistor PNP en termes de structure, ce qui est loin du transistor réellement utilisé pour l'amplification du courant en termes de performances [3]. Le transistor réel peut amplifier le courant, c'est-à-dire Ip>>In, tandis que pour l'IGBT, le courant électronique In est fondamentalement égal au courant de trou Ip.Après avoir parlé des transistors, parlons des MOS. Nous savons tous que le MOS est un appareil contrôlé en tension. Le courant de canal In du MOS a la relation suivante avec la tension de grille dans le processus de commutation :
Dans cette formule, Kp est le coefficient lié à la structure du dispositif et aux caractéristiques du porteur, et Vge,th sont les tensions de seuil.À ce stade, il peut être un peu clair pour tout le monde que ce que nous contrôlons, la tension de grille de l'IGBT, est en fait le MOS interne, qui est directement affecté par le courant électronique In, tandis que le courant de trou Ip n'est pas directement lié à la tension de grille Vge.Pour en revenir à notre sujet, examinons le processus de désactivation des IGBT. Ce processus peut généralement être divisé en cinq étapes selon leurs caractéristiques externes, comme illustré dans la figure suivante :
4. Appareils IGBTÉtape 1 (t0-t1) : le condensateur de grille se décharge et la tension de grille chute de façon exponentielle jusqu'à la tension Vgep de la plateforme Maitreya. Étape 2 (t1-t2) : dans la phase de la plateforme Maitreya, la tension de grille est fondamentalement inchangée et la tension Vgep dépend du courant de charge. Le courant de grille charge le condensateur Maitreya et la tension du collecteur augmente légèrement. Étape 3 (t2-t3) : dans la phase de tension de collecteur croissante, la tension de collecteur Vce de l'IGBT augmente rapidement jusqu'à la tension du bus. Dans le même temps, la tension de grille chute de la plateforme Maitreya Vgep à la tension de seuil Vge,th, et la grille est complètement désactivée. Étape 4 (t3-t4) : dans la phase de courant de collecteur décroissant, la tension de collecteur de l'IGBT a augmenté jusqu'à la tension du bus Vdc, et la diode correspondant à l'IGBT entre dans la phase de conduction directe, et le courant de charge est rapidement transféré de l'IGBT à la diode. Le courant de Ic chute rapidement jusqu'au courant de fuite, et la tension du collecteur présente un certain dépassement de tension dû à la présence d'une inductance parasite. Étape 5 (t4-t5) : Processus de courant de fuite. La vitesse de décroissance du courant à cette étape est principalement déterminée par la durée de vie des porteurs du composant. Certains peuvent se demander pourquoi la grille est bloquée lorsque le courant commence à chuter. De nombreux articles montrent que lorsque le courant de collecteur d'un IGBT chute à 0, la grille se bloque. Ces chiffres ne posent aucun problème pour comprendre simplement les caractéristiques de commutation d'un IGBT. À proprement parler, il existe quelques problèmes, mais ne nous étendons pas trop. En fait, il est difficile de tester le moment où la grille d'un IGBT est bloquée, car nous n'étudions pas les semi-conducteurs et nous ne connaissons pas beaucoup de paramètres ! Ce qui suit décrit le processus de blocage d'un IGBT du point de vue du mécanisme interne : tout d'abord, examinons la distribution des porteurs internes avant la désactivation de l'IGBT. La figure 5 représente la distribution des porteurs internes dans l'IGBT avant t0 (fig. 4), c'est-à-dire à l'état passant. Nous abordons ici principalement la distribution des porteurs dans la région de base N, car les caractéristiques de commutation de l'IGBT sont principalement affectées par les porteurs de cette région. À l'état passant, la région de base N est riche en électrons et en trous ; on peut donc également l'appeler région de stockage des porteurs (CSR) ou plasma. Pendant le processus de passage à l'état passant, les courants d'électrons et de trous dans la région de base de l'IGBT sont d'environ 3:1, principalement parce que la mobilité des électrons est trois fois supérieure à celle des trous dans les mêmes conditions [4].
Lorsqu'une tension de polarisation nulle ou négative est appliquée à la grille de l'IGBT, le dispositif entre dans le processus d'arrêt. Premièrement, avec la diminution de la tension de grille, le courant électronique injecté de la région source N+ vers la région base N- via le canal MOS diminue progressivement, tandis que le courant du collecteur externe reste inchangé sous l'influence de l'inductance de charge, de sorte que le courant électronique et le courant de trou à l'intérieur du module IGBT s'écarteront de leur état d'équilibre d'origine. La Fig. 3 illustre le changement des porteurs dans la région N-base de l'IGBT à ce stade, correspondant à la distribution des porteurs dans t0-t3 dans la Fig. 4, dans laquelle un grand nombre de paires d'électrons et de trous existent encore dans la région CSR sur le côté gauche de la région N-base. À droite de la région de base N se trouve une région de charge d'espace (SCR), dépourvue de porteurs résiduels et également appelée couche d'appauvrissement. Lors de la désactivation de l'IGBT, cette région est sous tension, et le courant d'électrons dans la région SCR diminue progressivement, tandis que le courant de trous augmente progressivement.
Lorsque la tension de grille de l'IGBT continue de diminuer jusqu'à la tension de seuil Vgeth, le canal de conduction MOS interne est complètement désactivé et In1 est à 0, ce qui coupe le courant de base du transistor PNP. L'émetteur du transistor PNP n'injecte plus de trous dans la région base N. La figure 7 correspond à t3 de la caractéristique hors tension de l'IGBT. À ce moment, le courant d'électrons dans la région de charge d'espace est nul et le courant de charge est entièrement maintenu par le courant de trous Ip1, tandis que les électrons et les trous dans la région CSR sont toujours présents.
Lorsque la tension du collecteur Vce de l'IGBT atteint la tension du bus, le courant du collecteur chute rapidement et le taux de chute du circuit intégré est déterminé par les caractéristiques du dispositif lui-même, qui ne seront plus contrôlées par la grille. La figure 8 correspond à t3-t4 sur la figure. 4. Après l'achèvement de cette étape, il reste encore quelques porteurs dans la zone CSR, et l'élimination des porteurs restants est principalement déterminée par leur taux de recombinaison, qui apparaît comme un courant de fuite à l'extérieur.
À ce stade, vous pouvez comprendre que le fait que le taux de chute de courant du collecteur IGBT puisse être contrôlé par la grille dépend du fait que le courant électronique injecté par le canal MOS joue toujours un rôle dans l'étape de chute de courant IGBT. Ici, nous pouvons utiliser la formule pour décrire le taux de déclin de désactivation de l'IGBT :
Il n'est pas difficile de déduire de la formule que In1 doit avoir un certain droit de parole afin de contrôler la pente décroissante du courant du collecteur lorsqu'il est éteint. Comment pouvons-nous augmenter la proportion de courant électronique du canal MOS ?
Il existe deux méthodes, l'une consiste à ralentir la vitesse d'extinction de l'IGBT et l'autre à injecter un courant d'électrons dans la grille. À l’heure actuelle, les deux méthodes ont de bonnes applications dans la commande de grille IGBT. Quels sont les moyens de ralentir la vitesse d’arrêt ? Bien sûr, il est possible d'augmenter la résistance, mais le délai de désactivation ou la perte est très important, ce qui ne vaut pas la perte ; L'autre méthode consiste à adopter une technologie de commande active et à ralentir la vitesse de coupure de l'IGBT uniquement lorsque son courant chute. Cette méthode offre un bon compromis entre délai de commutation, surtension et pertes. Le pilote numérique domestique Feishide a cette fonction, donc ceux qui sont intéressés peuvent en prendre connaissance (ce n'est pas de la publicité ici, c'est un échange purement technique) ! Alors comment injecter du courant dans la grille ? C'est ce que nous appelons souvent la technologie de serrage actif de tension du collecteur.
Avertissement : cet article est reproduit à partir du "Automotive Semiconductor Intelligence Bureau". Cet article ne représente que les opinions personnelles de l'auteur et ne représente pas celles de Sacco Micro et de l'industrie. Il est uniquement destiné à la réimpression et au partage afin de soutenir la protection des droits de propriété intellectuelle. Veuillez indiquer la source originale et l'auteur lors de la réimpression. En cas d'infraction, veuillez nous contacter pour la supprimer.
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