पावर इलेक्ट्रॉनिक्स से जुड़े लोग IGBT से परिचित होंगे। इसका पूरा नाम इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर है, जो MOS (इंसुलेटेड गेट फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर) और BJT (बाइपोलर ट्रांजिस्टर) से बना एक संयुक्त पूर्णतः नियंत्रित पावर सेमीकंडक्टर उपकरण है। इसे आमतौर पर पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का "CPU" कहा जाता है। दस वोल्ट से अधिक के गेट कंट्रोल सिग्नल के माध्यम से, यह केवी वोल्टेज और केए करंट के नियंत्रण का एहसास कर सकता है। एक राष्ट्रीय रणनीतिक उभरते उद्योग के रूप में, इसका व्यापक रूप से रेल पारगमन, स्मार्ट ग्रिड, औद्योगिक ऊर्जा बचत, इलेक्ट्रिक वाहन और नई ऊर्जा उपकरण में उपयोग किया जाता है।लेकिन क्या आप वास्तव में IGBT को जानते हैं? आज, आइए IGBT की टर्न-ऑफ प्रक्रिया पर चर्चा करते हैं। शुरू करने से पहले, आइए एक प्रश्न पूछें। आप इस पर विचार कर सकते हैं। चित्र 1, IGBT के टर्न-ऑफ गेट प्रतिरोध और वोल्टेज स्पाइक के बीच संबंध दर्शाता है:
 
चित्र 1. आईजीबीटी टर्न-ऑफ ओवरवोल्टेज और गेट प्रतिरोध के बीच संबंध [1]जब IGBT का गेट ऑफ प्रतिरोध बढ़ाया जाता है, तो वोल्टेज स्पाइक बढ़ेगा? ये कैसा भूत है? क्या यह उससे भिन्न है जो हमने सोचा था?आइए IGBT के टर्न-ऑफ प्रतिरोध और टर्न-ऑफ हानि के बीच संबंध पर नज़र डालें। चित्र 2 से देखा जा सकता है कि IGBT के टर्न-ऑफ प्रतिरोध का टर्न-ऑफ हानि पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है।
 

 ऊपर दी गई दोनों तस्वीरों से ऐसा लगता है कि गेट रेजिस्टेंस के ज़रिए IGBT के टर्न-ऑफ गुणों को प्रभावित करना आदर्श नहीं है। लेकिन, अगर ऐसा है, तो क्या इसका कोई समाधान नहीं है? कुछ तरीके तो होंगे ही, पहले जेल में बंद बेटे को बेच दो, फिर बाद में बात करेंगे!आज, आइए संक्षेप में आईजीबीटी की शटडाउन प्रक्रिया के बारे में बात करते हैं, और उपरोक्त घटना के कारणों का मूल से विश्लेषण करते हैं।IGBT की टर्न-ऑफ प्रक्रिया को समझने के लिए, IGBT के कार्य सिद्धांत की संक्षिप्त समीक्षा करना आवश्यक है। जैसा कि पहले बताया गया है, IGBT एक पावर डिवाइस है जो MOS और BJT से मिलकर बना होता है। चित्र 1 NPT IGBT की आंतरिक संरचना और समतुल्य परिपथ को दर्शाता है। हम सभी जानते हैं कि IGBT एक द्विध्रुवीय उपकरण है, अर्थात इसमें इलेक्ट्रॉन और छिद्र दोनों चालन में भाग लेते हैं। यह मानते हुए कि MOS के माध्यम से प्रवाहित इलेक्ट्रॉन धारा in है और pnp ट्रांजिस्टर के माध्यम से प्रवाहित छिद्र धारा Ip है, IGBT के माध्यम से प्रवाहित संग्राहक धारा IC in+IP है।  
 

 
 ट्रांजिस्टर के कार्य सिद्धांत के अनुसार, कलेक्टर करंट आईपी और पीएनपी ट्रांजिस्टर के बेस करंट के बीच निम्नलिखित संबंध मौजूद है: 

  βpnp ट्रांजिस्टर का सामान्य उत्सर्जक धारा प्रवर्धन कारक है, और αpnp ट्रांजिस्टर का सामान्य आधार धारा प्रवर्धन कारक है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि आईजीबीटी के कलेक्टर पक्ष पर पीएनपी ट्रांजिस्टर केवल संरचना में पीएनपी ट्रांजिस्टर के बराबर है, जो प्रदर्शन में वर्तमान प्रवर्धन के लिए वास्तव में उपयोग किए जाने वाले ट्रांजिस्टर से बहुत दूर है [3]। वास्तविक ट्रांजिस्टर धारा को बढ़ा सकता है, अर्थात Ip>>In, जबकि IGBT के लिए, इलेक्ट्रॉन धारा In मूलतः होल धारा Ip के बराबर होती है।ट्रांजिस्टर के बारे में बात करने के बाद, आइए MOS के बारे में बात करते हैं। हम सभी जानते हैं कि एमओएस एक वोल्टेज-नियंत्रित उपकरण है। एमओएस के चैनल करंट का स्विचिंग प्रक्रिया में गेट वोल्टेज के साथ निम्नलिखित संबंध है:
   
  इस सूत्र में, Kp डिवाइस संरचना और वाहक विशेषताओं से संबंधित गुणांक है, और Vge,th थ्रेशोल्ड वोल्टेज हैं।इस बिंदु पर, यह सभी के लिए थोड़ा स्पष्ट हो सकता है कि हम आईजीबीटी के गेट वोल्टेज को नियंत्रित करते हैं, वास्तव में आंतरिक एमओएस है, जो सीधे इलेक्ट्रॉन वर्तमान इन से प्रभावित होता है, जबकि छेद वर्तमान आईपी सीधे गेट वोल्टेज वीजीई से संबंधित नहीं है।विषय पर वापस आते हुए, आइए IGBT की टर्न-ऑफ प्रक्रिया पर एक नज़र डालें। आमतौर पर, IGBT की टर्न-ऑफ प्रक्रिया को उसकी बाहरी विशेषताओं के अनुसार पाँच चरणों में विभाजित किया जा सकता है, जैसा कि निम्नलिखित आकृति में दिखाया गया है:
    图4. आईजीबीटी सुरक्षा समाधान
 
चरण 1(t0-t1): गेट कैपेसिटर डिस्चार्ज होता है, और गेट वोल्टेज मैत्रेय प्लेटफॉर्म वोल्टेज Vgep तक तेजी से गिरता है। चरण 2(t1-t2): मैत्रेय प्लेटफॉर्म के चरण में, गेट वोल्टेज मूलतः अपरिवर्तित रहता है, और Vgep वोल्टेज लोड करंट पर निर्भर करता है। गेट करंट मैत्रेय कैपेसिटर को चार्ज करता है, और कलेक्टर वोल्टेज थोड़ा बढ़ जाता है। चरण 3(t2-t3): बढ़ते कलेक्टर वोल्टेज के चरण में, IGBT का कलेक्टर वोल्टेज Vce तेजी से बस वोल्टेज तक बढ़ जाता है। इसी समय, गेट वोल्टेज मैत्रेय प्लेटफॉर्म Vgep से थ्रेशोल्ड वोल्टेज Vge,th तक गिर जाता है, और गेट पूरी तरह से बंद हो जाता है। चरण 4(t3-t4): कलेक्टर करंट कम होने के चरण में, IGBT का कलेक्टर वोल्टेज बस वोल्टेज Vdc तक बढ़ गया Ic की धारा तेजी से अनुगामी धारा तक गिरती है, और आवारा प्रेरकत्व के अस्तित्व के कारण संग्राहक वोल्टेज में एक निश्चित वोल्टेज ओवरशूट होता है। चरण 5 (t4-t5): अनुगामी धारा प्रक्रिया, इस चरण में धारा में गिरावट की गति मुख्य रूप से उपकरण के वाहक जीवनकाल द्वारा निर्धारित होती है। कुछ लोग पूछ सकते हैं कि जब धारा गिरनी शुरू होती है तो गेट बंद क्यों हो जाता है। कई शोधपत्र बताते हैं कि जब IGBT की संग्राहक धारा 0 पर गिरती है, तो गेट बंद हो जाएगा। इन आंकड़ों से IGBT की स्विचिंग विशेषताओं को समझने में कोई समस्या नहीं है। कड़ाई से कहें तो, कुछ समस्याएं हैं, लेकिन चलो बहुत उलझें नहीं। वास्तव में, हमारे लिए यह परीक्षण करना मुश्किल है कि IGBT का गेट कब बंद होता है, क्योंकि हम अर्धचालकों का अध्ययन नहीं कर रहे हैं, और हम कई मापदंडों को नहीं जानते हैं! चित्र 5, चित्र 0 में t4 से पहले IGBT में आंतरिक वाहकों के वितरण से मेल खाता है, अर्थात, चालू अवस्था में। यहाँ, हम मुख्य रूप से N- आधार क्षेत्र में वाहक वितरण पर चर्चा करते हैं, क्योंकि IGBT की स्विचिंग विशेषताएँ मुख्य रूप से N- आधार क्षेत्र में वाहकों द्वारा प्रभावित होती हैं। चालू अवस्था में, N- आधार क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों से भरा होता है, इसलिए इस क्षेत्र को वाहक भंडारण क्षेत्र (CSR) या प्लाज्मा भी कहा जा सकता है। चालू अवस्था प्रक्रिया के दौरान, IGBT के आधार क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन धारा और छिद्र धारा लगभग 3:1 होती है, मुख्यतः क्योंकि समान परिस्थितियों में इलेक्ट्रॉनों की गतिशीलता छिद्रों की तुलना में तीन गुना होती है [4]। 
 

समय से पहले वाहक वितरण 0  
जब IGBT के गेट पर शून्य या ऋणात्मक बायस वोल्टेज लगाया जाता है, तो डिवाइस शटडाउन प्रक्रिया में प्रवेश करता है। सबसे पहले, गेट वोल्टेज में कमी के साथ, MOS चैनल के माध्यम से N+ स्रोत क्षेत्र से N- आधार क्षेत्र में इंजेक्ट किया गया इलेक्ट्रॉन करंट धीरे-धीरे कम हो जाता है, जबकि बाहरी कलेक्टर करंट लोड इंडक्शन के प्रभाव में अपरिवर्तित रहता है, इसलिए IGBT मॉड्यूल के अंदर इलेक्ट्रॉन करंट और होल करंट अपनी मूल संतुलन स्थिति से विचलित हो जाएगा। चित्र 3 इस स्तर पर IGBT के N- आधार क्षेत्र में वाहकों के परिवर्तन को दर्शाता है, जो चित्र 0 में t3-t4 में वाहक वितरण के अनुरूप है, जिसमें N- आधार क्षेत्र के बाईं ओर CSR क्षेत्र में अभी भी बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन और होल जोड़े मौजूद हैं। N-आधार क्षेत्र के दाईं ओर एक स्पेस चार्ज क्षेत्र (SCR) होता है, जिसमें कोई अवशिष्ट वाहक नहीं होता और इसे अवक्षय परत भी कहा जा सकता है। IGBT के बंद होने के दौरान, यह क्षेत्र वोल्टेज वहन करता है, और SCR क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन धारा धीरे-धीरे कम होती जाती है, जबकि होल धारा धीरे-धीरे बढ़ती जाती है।
 

0-t3 अवधि में वाहक वितरण

जब IGBT का गेट वोल्टेज थ्रेशोल्ड वोल्टेज Vgeth तक कम होता रहता है, तो आंतरिक MOS चालन चैनल पूरी तरह से बंद हो जाता है, और In1 0 हो जाता है, जो PNP ट्रांजिस्टर के बेस करंट को काट देता है। PNP ट्रांजिस्टर का एमिटर अब N-बेस क्षेत्र में छिद्र नहीं डालेगा। चित्र 7, IGBT की ऑफ-विशेषता के t3 के अनुरूप है। इस समय, स्पेस चार्ज क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन धारा शून्य होती है, और भार धारा पूरी तरह से छिद्र धारा Ip1 द्वारा नियंत्रित होती है, जबकि CSR क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन और छिद्र अभी भी मौजूद रहते हैं।
 

3 घंटे का वाहक वितरण

जब IGBT का कलेक्टर वोल्टेज Vce बस वोल्टेज तक बढ़ जाता है, तो कलेक्टर धारा तेजी से गिरती है, और IC की गिरावट दर डिवाइस की विशेषताओं द्वारा निर्धारित होती है, जिसे अब गेट द्वारा नियंत्रित नहीं किया जाएगा। चित्र 8 चित्र में t3-t4 से मेल खाता है। 4. इस चरण के पूरा होने के बाद, सीएसआर क्षेत्र में अभी भी कुछ वाहक बचे हैं, और शेष वाहकों का उन्मूलन मुख्य रूप से उनकी पुनर्संयोजन दर से निर्धारित होता है, जो बाह्य रूप से अनुगामी धारा के रूप में दिखाई देता है।
 

3-t4 अवधि में वाहक वितरण

इस बिंदु पर, आप समझ सकते हैं कि क्या IGBT कलेक्टर की वर्तमान ड्रॉप दर को गेट द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है या नहीं, यह इस बात पर निर्भर करता है कि MOS चैनल द्वारा इंजेक्ट किया गया इलेक्ट्रॉन करंट अभी भी IGBT करंट ड्रॉप स्टेज में भूमिका निभाता है या नहीं। यहां हम IGBT की टर्न-ऑफ गिरावट दर का वर्णन करने के लिए सूत्र का उपयोग कर सकते हैं:
   
  सूत्र से यह पता लगाना मुश्किल नहीं है कि बंद होने पर कलेक्टर करंट की गिरती ढलान को नियंत्रित करने के लिए In1 को बोलने का एक निश्चित अधिकार होना चाहिए। हम एमओएस चैनल इलेक्ट्रॉन धारा का अनुपात कैसे बढ़ा सकते हैं?

इसके दो तरीके हैं, एक है आईजीबीटी की टर्न-ऑफ गति को धीमा करना, और दूसरा है गेट में इलेक्ट्रॉन करंट को इंजेक्ट करना। वर्तमान में, दोनों विधियों का IGBT गेट ड्राइव में अच्छा अनुप्रयोग है। शटडाउन गति को धीमा करने के क्या उपाय हैं? बेशक, प्रतिरोध को बढ़ाना संभव है, लेकिन टर्न-ऑफ में देरी या नुकसान बहुत बड़ा है, जो नुकसान के लायक नहीं है; दूसरी विधि सक्रिय ड्राइव तकनीक को अपनाना है, और केवल तभी IGBT की टर्न-ऑफ गति को धीमा करने के उपाय करना है जब IGBT की धारा कम हो। इस विधि से स्विचिंग विलंब, अति-वोल्टेज और हानि के बीच एक अच्छा समझौता प्राप्त किया जा सकता है। घरेलू फ़ीशाइड डिजिटल ड्राइवर में यह फ़ंक्शन है, इसलिए जो लोग रुचि रखते हैं वे इसके बारे में जान सकते हैं (यह यहां विज्ञापन नहीं है, यह पूरी तरह से तकनीकी आदान-प्रदान है)! फिर गेट में करंट कैसे डाला जाए? इसे हम अक्सर कलेक्टर वोल्टेज सक्रिय क्लैंपिंग तकनीक कहते हैं।

अस्वीकरण: यह लेख "ऑटोमोटिव सेमीकंडक्टर इंटेलिजेंस ब्यूरो" से पुन: प्रस्तुत किया गया है। यह लेख केवल लेखक के व्यक्तिगत विचारों का प्रतिनिधित्व करता है, और सैको माइक्रो और उद्योग के विचारों का प्रतिनिधित्व नहीं करता है। यह केवल बौद्धिक संपदा अधिकारों की सुरक्षा का समर्थन करने के लिए पुनर्मुद्रण और साझा करने के लिए है। कृपया पुनर्मुद्रण करते समय मूल स्रोत और लेखक का उल्लेख करें। यदि कोई उल्लंघन है, तो कृपया उसे हटाने के लिए हमसे संपर्क करें।

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