Layanan Hotline
Kolumnis
Kolumnis
Bagaimana proses pergantian IGBT? (Kuliah 1)
2022-03-17
1493
Mereka yang berkecimpung di bidang elektronika daya mungkin familiar dengan IGBT. Nama lengkapnya adalah Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi (Insulated Gate Bipolar Transistor), yang merupakan perangkat semikonduktor daya komposit terkontrol penuh yang terdiri dari MOS (Transistor Efek Medan Gerbang Terisolasi) dan BJT (Transistor Bipolar). Perangkat ini umumnya dikenal sebagai "CPU" dalam perangkat elektronika daya. Melalui sinyal kontrol gerbang lebih dari sepuluh volt, Hal ini dapat mewujudkan kontrol tegangan kV dan arus kA. Sebagai industri strategis nasional yang sedang berkembang, industri ini banyak digunakan dalam angkutan kereta api, jaringan pintar, penghematan energi industri, kendaraan listrik, dan peralatan energi baru.Namun, apakah Anda benar-benar mengenal IGBT? Hari ini, mari kita bahas proses pemutusan IGBT. Sebelum kita mulai, mari kita ajukan sebuah pertanyaan. Anda dapat mempertimbangkannya. Gambar 1 menunjukkan hubungan antara resistansi gerbang pemutusan IGBT dan lonjakan tegangan:
Gambar 1. Hubungan antara tegangan lebih mati IGBT dan resistansi gerbang [1]Bila resistansi gate off IGBT dinaikkan, lonjakan tegangan akan meningkat? Hantu macam apa ini? Apakah ini berbeda dari apa yang kita pikirkan?Mari kita lihat hubungan antara resistansi pemutus dan rugi-rugi pemutus IGBT. Gambar 2 menunjukkan bahwa resistansi pemutus IGBT memiliki pengaruh yang kecil terhadap rugi-rugi pemutus.
Dari dua gambar di atas, tampaknya tidak ideal untuk memengaruhi karakteristik turn-off IGBT melalui resistansi gerbang. Namun, jika demikian, apakah tidak ada solusi? Pasti ada beberapa cara, jual dulu anak penjara, baru kita bicarakan nanti!Hari ini, mari kita bahas secara singkat proses penghentian IGBT, dan menganalisis penyebab fenomena di atas dari akarnya.Untuk memahami proses pemutusan IGBT, perlu ditinjau secara singkat prinsip kerja IGBT. Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, IGBT adalah perangkat daya yang terdiri dari MOS dan BJT. Gambar 1 menunjukkan struktur internal dan rangkaian ekivalen NPT IGBT. Kita semua tahu bahwa IGBT adalah perangkat bipolar, artinya elektron dan lubang berpartisipasi dalam konduksi. Dengan asumsi bahwa arus elektron yang mengalir melalui MOS adalah in dan arus lubang yang mengalir melalui transistor pnp adalah Ip, arus kolektor IC yang mengalir melalui IGBT adalah in+IP.
Menurut prinsip kerja transistor, terdapat hubungan antara arus kolektor Ip dan arus basis masuk pada transistor PNP sebagai berikut:
βpnp adalah faktor amplifikasi arus emitor bersama transistor, dan αpnp adalah faktor amplifikasi arus basis bersama transistor. Perlu diketahui bahwa transistor PNP pada sisi kolektor IGBT hanya setara dengan transistor PNP dalam strukturnya, yang jauh dari transistor yang sebenarnya digunakan untuk penguatan arus dalam kinerjanya [3]. Transistor sesungguhnya dapat memperkuat arus, yaitu Ip>>In, sedangkan untuk IGBT, arus elektron In pada dasarnya sama dengan arus lubang Ip.Setelah membahas transistor, mari kita bahas tentang MOS. Kita semua tahu bahwa MOS adalah perangkat yang dikontrol tegangan. Arus saluran In MOS memiliki hubungan sebagai berikut dengan tegangan gerbang dalam proses switching:
Dalam rumus ini, Kp adalah koefisien yang berkaitan dengan struktur perangkat dan karakteristik pembawa, dan Vge,th adalah tegangan ambang batas.Pada titik ini, mungkin sudah agak jelas bagi setiap orang bahwa yang kita kendalikan tegangan gerbang IGBT sebenarnya adalah MOS internal, yang secara langsung dipengaruhi oleh arus elektron In, sedangkan arus lubang Ip tidak secara langsung terkait dengan tegangan gerbang Vge.Kembali ke topik, mari kita lihat proses pemutusan IGBT. Umumnya, proses pemutusan IGBT dapat dibagi menjadi lima tahap berdasarkan karakteristik eksternalnya, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:
图4. Foto IGBT
Tahap 1 (t0-t1): kapasitor gerbang kosong, dan tegangan gerbang turun secara eksponensial ke tegangan platform Maitreya Vgep. Tahap 2 (t1-t2): Pada tahap platform Maitreya, tegangan gerbang pada dasarnya tidak berubah, dan tegangan Vgep tergantung pada arus beban. Arus gerbang mengisi kapasitor Maitreya, dan tegangan kolektor naik sedikit. Tahap 3 (t2-t3): Pada tahap tegangan kolektor naik, tegangan kolektor Vce IGBT dengan cepat naik ke tegangan bus. Pada saat yang sama, tegangan gerbang turun dari platform Maitreya Vgep ke tegangan ambang batas Vge,th, dan gerbang sepenuhnya mati. Tahap 4 (t3-t4): Pada tahap arus kolektor menurun, tegangan kolektor IGBT telah naik ke tegangan bus Vdc, dan dioda yang sesuai dengan IGBT memasuki tahap konduksi maju, dan arus beban dengan cepat ditransfer dari IGBT ke dioda. Arus Ic turun dengan cepat ke arus trailing, dan tegangan kolektor memiliki tegangan overshoot tertentu karena adanya induktansi liar. Tahap 5 (t4-t5): Proses arus trailing, kecepatan penurunan arus pada tahap ini terutama ditentukan oleh masa pakai pembawa perangkat. Beberapa orang mungkin bertanya mengapa gerbang dimatikan ketika arus mulai turun. Banyak makalah menunjukkan bahwa ketika arus kolektor IGBT turun ke 0, gerbang akan mati. Angka-angka ini tidak memiliki masalah dalam memahami karakteristik switching IGBT. Secara tegas, ada beberapa masalah, tetapi jangan terlalu terjerat. Faktanya, sulit bagi kita untuk menguji kapan gerbang IGBT dimatikan, karena kita tidak mempelajari semikonduktor, dan kita tidak tahu banyak parameter! Berikut ini menjelaskan proses mematikan IGBT dari tingkat mekanisme internal: Pertama, lihat distribusi pembawa internal sebelum IGBT dimatikan. Gambar 5 sesuai dengan distribusi pembawa internal di IGBT sebelum t0 pada gambar 4, yaitu, dalam keadaan hidup. Di sini, kami terutama membahas distribusi pembawa di wilayah basis-N, karena karakteristik switching IGBT terutama dipengaruhi oleh pembawa di wilayah basis-N. Pada keadaan hidup, wilayah basis-N penuh dengan elektron dan lubang, sehingga wilayah ini juga dapat disebut Wilayah Penyimpanan Pembawa (CSR) atau Plasma. Selama proses keadaan hidup, arus elektron dan arus lubang di wilayah basis IGBT kira-kira 3: 1, terutama karena mobilitas elektron tiga kali lipat dari lubang dalam kondisi yang sama [4].
Ketika tegangan bias nol atau negatif diterapkan ke gerbang IGBT, perangkat memasuki proses shutdown. Pertama, dengan penurunan tegangan gerbang, arus elektron yang disuntikkan dari daerah sumber N+ ke daerah basis N- melalui saluran MOS secara bertahap berkurang, sedangkan arus kolektor eksternal tetap tidak berubah di bawah pengaruh induktansi beban, sehingga arus elektron dan arus lubang di dalam modul IGBT akan menyimpang dari keadaan kesetimbangan aslinya. Gambar 3 menggambarkan perubahan pembawa di daerah N-basis IGBT pada tahap ini, sesuai dengan distribusi pembawa di t0-t3 pada gambar 4, di mana sejumlah besar pasangan elektron dan lubang masih ada di daerah CSR di sisi kiri daerah N-basis. Di sisi kanan wilayah basis-N, terdapat Wilayah Muatan Ruang (SCR), yang tidak memiliki pembawa residu dan juga dapat disebut lapisan deplesi. Selama pemutusan IGBT, wilayah ini membawa tegangan, dan arus elektron di wilayah SCR secara bertahap menurun, sementara arus lubang secara bertahap meningkat.
Ketika tegangan gerbang IGBT terus menurun ke tegangan ambang Vgeth, saluran konduksi MOS internal dimatikan sepenuhnya, dan In1 menjadi 0, yang memutus arus basis transistor PNP. Emitor transistor PNP tidak akan lagi menyuntikkan lubang ke daerah basis-N. Gambar 7 sesuai dengan t3 dari karakteristik off-IGBT. Pada saat ini, arus elektron di daerah muatan ruang adalah nol, dan arus beban sepenuhnya dipertahankan oleh arus lubang Ip1, sementara elektron dan lubang di daerah CSR masih ada.
Ketika tegangan kolektor Vce IGBT naik ke tegangan bus, arus kolektor turun dengan cepat, dan laju penurunan IC ditentukan oleh karakteristik perangkat itu sendiri, yang tidak lagi dikontrol oleh gerbang. Gambar 8 sesuai dengan t3-t4 pada gambar. 4. Setelah selesainya tahap ini, masih ada beberapa pembawa yang tersisa di area CSR, dan penghapusan pembawa yang tersisa terutama ditentukan oleh tingkat rekombinasi mereka, yang tampak sebagai arus tambahan secara eksternal.
Pada titik ini, Anda mungkin memahami bahwa apakah laju penurunan arus kolektor IGBT dapat dikontrol oleh gerbang tergantung pada apakah arus elektron yang disuntikkan oleh saluran MOS masih berperan dalam tahap penurunan arus IGBT. Di sini kita dapat menggunakan rumus untuk menggambarkan tingkat penurunan mati-mati IGBT:
Tidak sulit untuk mengetahui dari rumus bahwa In1 harus mempunyai hak bicara tertentu untuk mengontrol turunnya kemiringan arus kolektor ketika dimatikan. Bagaimana kita dapat meningkatkan proporsi arus elektron saluran MOS?
Ada dua metode, yang pertama adalah memperlambat kecepatan mati IGBT, dan yang kedua adalah menyuntikkan arus elektron ke gerbang. Saat ini, kedua metode memiliki aplikasi yang baik dalam penggerak gerbang IGBT. Apa saja cara untuk memperlambat kecepatan mematikan? Tentu saja, resistensi dapat ditingkatkan, tetapi penundaan atau kerugian mematikan sangat besar, yang tidak sebanding dengan kerugiannya; Metode lainnya adalah dengan mengadopsi teknologi penggerak aktif, dan mengambil langkah-langkah untuk memperlambat kecepatan mati IGBT hanya ketika arus IGBT turun. Metode ini dapat mencapai kompromi yang baik antara penundaan switching, tegangan lebih, dan rugi-rugi. Driver digital Feishide dalam negeri memiliki fungsi ini, sehingga mereka yang tertarik dapat mempelajarinya (ini bukan iklan di sini, ini murni pertukaran teknis)! Lalu bagaimana cara menyuntikkan arus ke gerbang? Inilah yang sering kita sebut dengan teknologi penjepit aktif tegangan kolektor.
Gambar 1. Hubungan antara tegangan lebih mati IGBT dan resistansi gerbang [1]Bila resistansi gate off IGBT dinaikkan, lonjakan tegangan akan meningkat? Hantu macam apa ini? Apakah ini berbeda dari apa yang kita pikirkan?Mari kita lihat hubungan antara resistansi pemutus dan rugi-rugi pemutus IGBT. Gambar 2 menunjukkan bahwa resistansi pemutus IGBT memiliki pengaruh yang kecil terhadap rugi-rugi pemutus.
Dari dua gambar di atas, tampaknya tidak ideal untuk memengaruhi karakteristik turn-off IGBT melalui resistansi gerbang. Namun, jika demikian, apakah tidak ada solusi? Pasti ada beberapa cara, jual dulu anak penjara, baru kita bicarakan nanti!Hari ini, mari kita bahas secara singkat proses penghentian IGBT, dan menganalisis penyebab fenomena di atas dari akarnya.Untuk memahami proses pemutusan IGBT, perlu ditinjau secara singkat prinsip kerja IGBT. Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, IGBT adalah perangkat daya yang terdiri dari MOS dan BJT. Gambar 1 menunjukkan struktur internal dan rangkaian ekivalen NPT IGBT. Kita semua tahu bahwa IGBT adalah perangkat bipolar, artinya elektron dan lubang berpartisipasi dalam konduksi. Dengan asumsi bahwa arus elektron yang mengalir melalui MOS adalah in dan arus lubang yang mengalir melalui transistor pnp adalah Ip, arus kolektor IC yang mengalir melalui IGBT adalah in+IP.
Menurut prinsip kerja transistor, terdapat hubungan antara arus kolektor Ip dan arus basis masuk pada transistor PNP sebagai berikut:
βpnp adalah faktor amplifikasi arus emitor bersama transistor, dan αpnp adalah faktor amplifikasi arus basis bersama transistor. Perlu diketahui bahwa transistor PNP pada sisi kolektor IGBT hanya setara dengan transistor PNP dalam strukturnya, yang jauh dari transistor yang sebenarnya digunakan untuk penguatan arus dalam kinerjanya [3]. Transistor sesungguhnya dapat memperkuat arus, yaitu Ip>>In, sedangkan untuk IGBT, arus elektron In pada dasarnya sama dengan arus lubang Ip.Setelah membahas transistor, mari kita bahas tentang MOS. Kita semua tahu bahwa MOS adalah perangkat yang dikontrol tegangan. Arus saluran In MOS memiliki hubungan sebagai berikut dengan tegangan gerbang dalam proses switching:
Dalam rumus ini, Kp adalah koefisien yang berkaitan dengan struktur perangkat dan karakteristik pembawa, dan Vge,th adalah tegangan ambang batas.Pada titik ini, mungkin sudah agak jelas bagi setiap orang bahwa yang kita kendalikan tegangan gerbang IGBT sebenarnya adalah MOS internal, yang secara langsung dipengaruhi oleh arus elektron In, sedangkan arus lubang Ip tidak secara langsung terkait dengan tegangan gerbang Vge.Kembali ke topik, mari kita lihat proses pemutusan IGBT. Umumnya, proses pemutusan IGBT dapat dibagi menjadi lima tahap berdasarkan karakteristik eksternalnya, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:
图4. Foto IGBTTahap 1 (t0-t1): kapasitor gerbang kosong, dan tegangan gerbang turun secara eksponensial ke tegangan platform Maitreya Vgep. Tahap 2 (t1-t2): Pada tahap platform Maitreya, tegangan gerbang pada dasarnya tidak berubah, dan tegangan Vgep tergantung pada arus beban. Arus gerbang mengisi kapasitor Maitreya, dan tegangan kolektor naik sedikit. Tahap 3 (t2-t3): Pada tahap tegangan kolektor naik, tegangan kolektor Vce IGBT dengan cepat naik ke tegangan bus. Pada saat yang sama, tegangan gerbang turun dari platform Maitreya Vgep ke tegangan ambang batas Vge,th, dan gerbang sepenuhnya mati. Tahap 4 (t3-t4): Pada tahap arus kolektor menurun, tegangan kolektor IGBT telah naik ke tegangan bus Vdc, dan dioda yang sesuai dengan IGBT memasuki tahap konduksi maju, dan arus beban dengan cepat ditransfer dari IGBT ke dioda. Arus Ic turun dengan cepat ke arus trailing, dan tegangan kolektor memiliki tegangan overshoot tertentu karena adanya induktansi liar. Tahap 5 (t4-t5): Proses arus trailing, kecepatan penurunan arus pada tahap ini terutama ditentukan oleh masa pakai pembawa perangkat. Beberapa orang mungkin bertanya mengapa gerbang dimatikan ketika arus mulai turun. Banyak makalah menunjukkan bahwa ketika arus kolektor IGBT turun ke 0, gerbang akan mati. Angka-angka ini tidak memiliki masalah dalam memahami karakteristik switching IGBT. Secara tegas, ada beberapa masalah, tetapi jangan terlalu terjerat. Faktanya, sulit bagi kita untuk menguji kapan gerbang IGBT dimatikan, karena kita tidak mempelajari semikonduktor, dan kita tidak tahu banyak parameter! Berikut ini menjelaskan proses mematikan IGBT dari tingkat mekanisme internal: Pertama, lihat distribusi pembawa internal sebelum IGBT dimatikan. Gambar 5 sesuai dengan distribusi pembawa internal di IGBT sebelum t0 pada gambar 4, yaitu, dalam keadaan hidup. Di sini, kami terutama membahas distribusi pembawa di wilayah basis-N, karena karakteristik switching IGBT terutama dipengaruhi oleh pembawa di wilayah basis-N. Pada keadaan hidup, wilayah basis-N penuh dengan elektron dan lubang, sehingga wilayah ini juga dapat disebut Wilayah Penyimpanan Pembawa (CSR) atau Plasma. Selama proses keadaan hidup, arus elektron dan arus lubang di wilayah basis IGBT kira-kira 3: 1, terutama karena mobilitas elektron tiga kali lipat dari lubang dalam kondisi yang sama [4].
Ketika tegangan bias nol atau negatif diterapkan ke gerbang IGBT, perangkat memasuki proses shutdown. Pertama, dengan penurunan tegangan gerbang, arus elektron yang disuntikkan dari daerah sumber N+ ke daerah basis N- melalui saluran MOS secara bertahap berkurang, sedangkan arus kolektor eksternal tetap tidak berubah di bawah pengaruh induktansi beban, sehingga arus elektron dan arus lubang di dalam modul IGBT akan menyimpang dari keadaan kesetimbangan aslinya. Gambar 3 menggambarkan perubahan pembawa di daerah N-basis IGBT pada tahap ini, sesuai dengan distribusi pembawa di t0-t3 pada gambar 4, di mana sejumlah besar pasangan elektron dan lubang masih ada di daerah CSR di sisi kiri daerah N-basis. Di sisi kanan wilayah basis-N, terdapat Wilayah Muatan Ruang (SCR), yang tidak memiliki pembawa residu dan juga dapat disebut lapisan deplesi. Selama pemutusan IGBT, wilayah ini membawa tegangan, dan arus elektron di wilayah SCR secara bertahap menurun, sementara arus lubang secara bertahap meningkat.
Ketika tegangan gerbang IGBT terus menurun ke tegangan ambang Vgeth, saluran konduksi MOS internal dimatikan sepenuhnya, dan In1 menjadi 0, yang memutus arus basis transistor PNP. Emitor transistor PNP tidak akan lagi menyuntikkan lubang ke daerah basis-N. Gambar 7 sesuai dengan t3 dari karakteristik off-IGBT. Pada saat ini, arus elektron di daerah muatan ruang adalah nol, dan arus beban sepenuhnya dipertahankan oleh arus lubang Ip1, sementara elektron dan lubang di daerah CSR masih ada.
Ketika tegangan kolektor Vce IGBT naik ke tegangan bus, arus kolektor turun dengan cepat, dan laju penurunan IC ditentukan oleh karakteristik perangkat itu sendiri, yang tidak lagi dikontrol oleh gerbang. Gambar 8 sesuai dengan t3-t4 pada gambar. 4. Setelah selesainya tahap ini, masih ada beberapa pembawa yang tersisa di area CSR, dan penghapusan pembawa yang tersisa terutama ditentukan oleh tingkat rekombinasi mereka, yang tampak sebagai arus tambahan secara eksternal.
Pada titik ini, Anda mungkin memahami bahwa apakah laju penurunan arus kolektor IGBT dapat dikontrol oleh gerbang tergantung pada apakah arus elektron yang disuntikkan oleh saluran MOS masih berperan dalam tahap penurunan arus IGBT. Di sini kita dapat menggunakan rumus untuk menggambarkan tingkat penurunan mati-mati IGBT:
Tidak sulit untuk mengetahui dari rumus bahwa In1 harus mempunyai hak bicara tertentu untuk mengontrol turunnya kemiringan arus kolektor ketika dimatikan. Bagaimana kita dapat meningkatkan proporsi arus elektron saluran MOS?
Ada dua metode, yang pertama adalah memperlambat kecepatan mati IGBT, dan yang kedua adalah menyuntikkan arus elektron ke gerbang. Saat ini, kedua metode memiliki aplikasi yang baik dalam penggerak gerbang IGBT. Apa saja cara untuk memperlambat kecepatan mematikan? Tentu saja, resistensi dapat ditingkatkan, tetapi penundaan atau kerugian mematikan sangat besar, yang tidak sebanding dengan kerugiannya; Metode lainnya adalah dengan mengadopsi teknologi penggerak aktif, dan mengambil langkah-langkah untuk memperlambat kecepatan mati IGBT hanya ketika arus IGBT turun. Metode ini dapat mencapai kompromi yang baik antara penundaan switching, tegangan lebih, dan rugi-rugi. Driver digital Feishide dalam negeri memiliki fungsi ini, sehingga mereka yang tertarik dapat mempelajarinya (ini bukan iklan di sini, ini murni pertukaran teknis)! Lalu bagaimana cara menyuntikkan arus ke gerbang? Inilah yang sering kita sebut dengan teknologi penjepit aktif tegangan kolektor.
Penafian: Artikel ini direproduksi dari "Biro Intelijen Semikonduktor Otomotif". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ini hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulisnya saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.
Telp Perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manajer Li
QQ: 332496225 Manajer Qiu
Alamat: Kamar 809, Blok C, Gedung Teknologi Zhantao, No.1079 Minzhi Avenue, Distrik Baru Longhua, Shenzhen
Rekomendasi Terkait
粤公网安备44030002007346号