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IGBT のターンオーバー プロセスとは何ですか? (講義1)
2022-03-17
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パワーエレクトロニクスに携わる方なら、IGBTはご存知かもしれません。正式名称は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で、MOS（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）とBJT（バイポーラトランジスタ）を組み合わせた、完全に制御された複合型パワー半導体デバイスです。パワーエレクトロニクス機器の「CPU」とも呼ばれています。10ボルトを超えるゲート制御信号によって、 kV電圧とkA電流の制御を実現できます。国家戦略的新興産業として、鉄道輸送、スマートグリッド、産業用省エネ、電気自動車、新エネルギー機器などに広く利用されている。しかし、IGBT を本当にご存知ですか? 今日はIGBTのターンオフプロセスについてお話ししましょう。始める前に、一つ質問を投げかけてみましょう。図1は、IGBTのターンオフゲート抵抗と電圧スパイクの関係を示しています。
図1. IGBTターンオフ過電圧とゲート抵抗の関係[1]IGBT のゲートオフ抵抗が増加すると、電圧スパイクが増加しますか? これはどんな幽霊ですか？ 私たちが思っていたものと違うのでしょうか？IGBTのターンオフ抵抗とターンオフ損失の関係を見てみましょう。図2から、IGBTのターンオフ抵抗はターンオフ損失にほとんど影響を与えないことがわかります。
上の2つの図から、ゲート抵抗を介してIGBTのターンオフ特性に影響を与えるのは理想的ではないように思えます。しかし、これが事実であれば、解決策はないのでしょうか？ いくつか方法があるはずです。まず刑務所の息子を売ってください。それからそれについては後で話します。今日は、IGBT のシャットダウンプロセスについて簡単に説明し、上記の現象の原因を根本から分析してみましょう。IGBTのターンオフプロセスを理解するには、IGBTの動作原理を簡単に確認する必要があります。前述のように、IGBTはMOSとBJTで構成されるパワーデバイスです。 図1はNPT IGBTの内部構造と等価回路を示しています。IGBTはバイポーラデバイス、つまり電子と正孔の両方が伝導に関与するデバイスであることは周知の事実です。 MOSを流れる電子電流がin、pnpトランジスタを流れる正孔電流がIpとすると、IGBTを流れるコレクタ電流ICはin+IPとなります。
トランジスタの動作原理によれば、PNP トランジスタのコレクタ電流 Ip とベース電流 in の間には次の関係が存在します。
βpnp はトランジスタのエミッタ接地電流増幅率、αpnp はトランジスタのベース接地電流増幅率です。 IGBTのコレクタ側のPNPトランジスタは構造上はPNPトランジスタと同等であるが、性能的には実際に電流増幅に用いられるトランジスタとはかけ離れていることに注意する必要がある[3]。 実際のトランジスタは電流を増幅できます。つまり、Ip>>In ですが、IGBT の場合、電子電流 In は基本的にホール電流 Ip に等しくなります。トランジスタの話をした後は、MOS について話しましょう。 MOS が電圧制御デバイスであることは誰もが知っています。 MOS のチャネル電流 In は、スイッチング プロセスにおけるゲート電圧と次の関係があります。
この式において、Kp はデバイス構造とキャリア特性に関係する係数、Vge,th はしきい値電圧です。この時点で、IGBT のゲート電圧を制御するのは実際には内部 MOS であり、電子電流 In によって直接影響を受けますが、ホール電流 Ip はゲート電圧 Vge とは直接関係がないということが、皆さんに少しは明らかになったと思います。話を元に戻して、IGBTのターンオフプロセスを見てみましょう。通常、IGBTのターンオフプロセスは、その外部特性に応じて5段階に分けられます（下図参照）。
図4。 IGBT关断外特性
ステージ1（t0-t1）：ゲートコンデンサが放電し、ゲート電圧が指数関数的にMaitreyaプラットフォーム電圧Vgepまで低下します。 ステージ2（t1-t2）：Maitreyaプラットフォームの段階では、ゲート電圧は基本的に変化せず、Vgep電圧は負荷電流に依存します。 ゲート電流はMaitreyaコンデンサを充電し、コレクタ電圧がわずかに上昇します。 ステージ3（t2-t3）：コレクタ電圧の上昇段階では、IGBTのコレクタ電圧Vceがバス電圧まで急速に上昇します。 同時に、ゲート電圧はMaitreyaプラットフォームVgepからしきい値電圧Vge,thまで低下し、ゲートは完全にオフになります。 ステージ4（t3-t4）：コレクタ電流の減少段階では、IGBTのコレクタ電圧がバス電圧Vdcまで上昇し、IGBTに対応するダイオードが順方向導通段階に入り、負荷電流がIGBTからダイオードに急速に伝達されます。 Ic の電流は急速に後続電流まで低下し、寄生インダクタンスの存在により、コレクタ電圧には一定の電圧オーバーシュートが発生します。ステージ 5 (t4-t5): 後続電流プロセス。このステージでの電流低下速度は、主にデバイスのキャリア寿命によって決まります。電流が低下し始めるとゲートがオフになるのはなぜかと疑問に思う人もいるかもしれません。多くの論文では、IGBT のコレクタ電流が 0 に低下するとゲートがオフになることを示しています。これらの数値は、IGBT のスイッチング特性を単純に理解する上で問題ありません。厳密に言えば、いくつか問題がありますが、あまり深く考えないようにしましょう。実際、IGBT のゲートがオフになるタイミングをテストするのは困難です。結局のところ、私たちは半導体を研究しているわけではなく、多くのパラメータを知らないからです。以下は、IGBT のターンオフプロセスを内部メカニズムのレベルから説明するものです。まず、IGBT がオフになる前の内部キャリアの分布を見てみましょう。図5は、図0のt4より前、つまりオン状態におけるIGBTの内部キャリアの分布に対応しています。IGBTのスイッチング特性は主にNベース領域のキャリアの影響を受けるため、ここでは主にNベース領域のキャリア分布について説明します。オン状態では、Nベース領域は電子と正孔で満たされているため、この領域はキャリアストレージ領域（CSR）またはプラズマとも呼ばれます。オン状態プロセス中、IGBTのベース領域における電子電流と正孔電流は約3：1です。これは主に、同じ条件下で電子の移動度が正孔の4倍であるためです[XNUMX]。
IGBT のゲートにゼロまたは負のバイアス電圧が印加されると、デバイスはシャットダウン プロセスに入ります。 まず、ゲート電圧が低下すると、MOS チャネルを介して N+ ソース領域から N- ベース領域に注入される電子電流が徐々に減少しますが、外部コレクタ電流は負荷インダクタンスの影響で変化しないため、IGBT モジュール内の電子電流とホール電流は元の平衡状態から外れます。 図 3 は、この段階での IGBT の N ベース領域のキャリアの変化を示しており、図 0 の t3 ～ t4 のキャリア分布に対応しており、N ベース領域の左側の CSR 領域にはまだ多数の電子と正孔の対が存在しています。 Nベース領域の右側には、残留キャリアが存在せず、空乏層とも呼ばれる空間電荷領域（SCR）があります。IGBTのターンオフ時には、この領域に電圧が流れ、SCR領域の電子電流は徐々に減少し、正孔電流は徐々に増加します。
IGBT のゲート電圧がしきい値電圧 Vgeth まで低下し続けると、内部の MOS 伝導チャネルが完全にオフになり、In1 が 0 になり、PNP トランジスタのベース電流が遮断されます。 PNPトランジスタのエミッタは、Nベース領域にホールを注入しなくなります。図7はIGBTのオフ特性のt3に相当します。このとき、空間電荷領域の電子電流はゼロであり、負荷電流はホール電流Ip1によって完全に維持されますが、CSR領域の電子とホールは依然として存在します。
IGBT のコレクタ電圧 Vce がバス電圧まで上昇すると、コレクタ電流が急激に低下し、IC の低下率はデバイス自体の特性によって決まり、ゲートによって制御できなくなります。 図８は図７のｔ３〜ｔ４に相当する。 8. この段階の完了後、CSR領域にはまだ少数のキャリアが残っており、残りのキャリアの除去は主に再結合率によって決まり、外部にトレーリング電流として現れます。
この時点で、IGBT コレクタの電流低下率がゲートによって制御できるかどうかは、MOS チャネルによって注入される電子電流が IGBT 電流低下段階で依然として役割を果たしているかどうかによって決まることがおわかりでしょう。 ここで、IGBT のターンオフ減衰率を表す式は次のようになります。
この式から、In1 がオフになったときのコレクタ電流の立ち下がり勾配を制御するには、InXNUMX が一定の発言権を持たなければならないことを知るのは難しくありません。 MOS チャネルの電子流の割合を増やすにはどうすればよいでしょうか?
方法は2つあり、1つはIGBTのターンオフ速度を遅くする方法、もう1つはゲートに電子電流を注入する方法です。 現在、両方の方法は IGBT ゲート ドライブにうまく応用されています。 シャットダウン速度を遅くするにはどのような方法がありますか? もちろん、抵抗を増やすことは可能ですが、ターンオフの遅延または損失が非常に大きく、損失に見合う価値はありません。 もう一つの方法は、アクティブドライブ技術を採用し、IGBTの電流が低下した場合にのみIGBTのターンオフ速度を低下させる対策を講じることです。この方法は、スイッチング遅延、過電圧、損失の間で良好なバランスを実現できます。 国内のFeishideデジタルドライバーにはこの機能があるので、興味のある人はそれについて学ぶことができます（ここでは宣伝ではなく、純粋な技術交流です）！ では、ゲートに電流を注入するにはどうすればよいでしょうか? これは、コレクター電圧アクティブ クランプ技術と呼ばれるものです。
図1. IGBTターンオフ過電圧とゲート抵抗の関係[1]IGBT のゲートオフ抵抗が増加すると、電圧スパイクが増加しますか? これはどんな幽霊ですか？ 私たちが思っていたものと違うのでしょうか？IGBTのターンオフ抵抗とターンオフ損失の関係を見てみましょう。図2から、IGBTのターンオフ抵抗はターンオフ損失にほとんど影響を与えないことがわかります。
上の2つの図から、ゲート抵抗を介してIGBTのターンオフ特性に影響を与えるのは理想的ではないように思えます。しかし、これが事実であれば、解決策はないのでしょうか？ いくつか方法があるはずです。まず刑務所の息子を売ってください。それからそれについては後で話します。今日は、IGBT のシャットダウンプロセスについて簡単に説明し、上記の現象の原因を根本から分析してみましょう。IGBTのターンオフプロセスを理解するには、IGBTの動作原理を簡単に確認する必要があります。前述のように、IGBTはMOSとBJTで構成されるパワーデバイスです。 図1はNPT IGBTの内部構造と等価回路を示しています。IGBTはバイポーラデバイス、つまり電子と正孔の両方が伝導に関与するデバイスであることは周知の事実です。 MOSを流れる電子電流がin、pnpトランジスタを流れる正孔電流がIpとすると、IGBTを流れるコレクタ電流ICはin+IPとなります。
トランジスタの動作原理によれば、PNP トランジスタのコレクタ電流 Ip とベース電流 in の間には次の関係が存在します。
βpnp はトランジスタのエミッタ接地電流増幅率、αpnp はトランジスタのベース接地電流増幅率です。 IGBTのコレクタ側のPNPトランジスタは構造上はPNPトランジスタと同等であるが、性能的には実際に電流増幅に用いられるトランジスタとはかけ離れていることに注意する必要がある[3]。 実際のトランジスタは電流を増幅できます。つまり、Ip>>In ですが、IGBT の場合、電子電流 In は基本的にホール電流 Ip に等しくなります。トランジスタの話をした後は、MOS について話しましょう。 MOS が電圧制御デバイスであることは誰もが知っています。 MOS のチャネル電流 In は、スイッチング プロセスにおけるゲート電圧と次の関係があります。
この式において、Kp はデバイス構造とキャリア特性に関係する係数、Vge,th はしきい値電圧です。この時点で、IGBT のゲート電圧を制御するのは実際には内部 MOS であり、電子電流 In によって直接影響を受けますが、ホール電流 Ip はゲート電圧 Vge とは直接関係がないということが、皆さんに少しは明らかになったと思います。話を元に戻して、IGBTのターンオフプロセスを見てみましょう。通常、IGBTのターンオフプロセスは、その外部特性に応じて5段階に分けられます（下図参照）。
図4。 IGBT关断外特性ステージ1（t0-t1）：ゲートコンデンサが放電し、ゲート電圧が指数関数的にMaitreyaプラットフォーム電圧Vgepまで低下します。 ステージ2（t1-t2）：Maitreyaプラットフォームの段階では、ゲート電圧は基本的に変化せず、Vgep電圧は負荷電流に依存します。 ゲート電流はMaitreyaコンデンサを充電し、コレクタ電圧がわずかに上昇します。 ステージ3（t2-t3）：コレクタ電圧の上昇段階では、IGBTのコレクタ電圧Vceがバス電圧まで急速に上昇します。 同時に、ゲート電圧はMaitreyaプラットフォームVgepからしきい値電圧Vge,thまで低下し、ゲートは完全にオフになります。 ステージ4（t3-t4）：コレクタ電流の減少段階では、IGBTのコレクタ電圧がバス電圧Vdcまで上昇し、IGBTに対応するダイオードが順方向導通段階に入り、負荷電流がIGBTからダイオードに急速に伝達されます。 Ic の電流は急速に後続電流まで低下し、寄生インダクタンスの存在により、コレクタ電圧には一定の電圧オーバーシュートが発生します。ステージ 5 (t4-t5): 後続電流プロセス。このステージでの電流低下速度は、主にデバイスのキャリア寿命によって決まります。電流が低下し始めるとゲートがオフになるのはなぜかと疑問に思う人もいるかもしれません。多くの論文では、IGBT のコレクタ電流が 0 に低下するとゲートがオフになることを示しています。これらの数値は、IGBT のスイッチング特性を単純に理解する上で問題ありません。厳密に言えば、いくつか問題がありますが、あまり深く考えないようにしましょう。実際、IGBT のゲートがオフになるタイミングをテストするのは困難です。結局のところ、私たちは半導体を研究しているわけではなく、多くのパラメータを知らないからです。以下は、IGBT のターンオフプロセスを内部メカニズムのレベルから説明するものです。まず、IGBT がオフになる前の内部キャリアの分布を見てみましょう。図5は、図0のt4より前、つまりオン状態におけるIGBTの内部キャリアの分布に対応しています。IGBTのスイッチング特性は主にNベース領域のキャリアの影響を受けるため、ここでは主にNベース領域のキャリア分布について説明します。オン状態では、Nベース領域は電子と正孔で満たされているため、この領域はキャリアストレージ領域（CSR）またはプラズマとも呼ばれます。オン状態プロセス中、IGBTのベース領域における電子電流と正孔電流は約3：1です。これは主に、同じ条件下で電子の移動度が正孔の4倍であるためです[XNUMX]。
IGBT のゲートにゼロまたは負のバイアス電圧が印加されると、デバイスはシャットダウン プロセスに入ります。 まず、ゲート電圧が低下すると、MOS チャネルを介して N+ ソース領域から N- ベース領域に注入される電子電流が徐々に減少しますが、外部コレクタ電流は負荷インダクタンスの影響で変化しないため、IGBT モジュール内の電子電流とホール電流は元の平衡状態から外れます。 図 3 は、この段階での IGBT の N ベース領域のキャリアの変化を示しており、図 0 の t3 ～ t4 のキャリア分布に対応しており、N ベース領域の左側の CSR 領域にはまだ多数の電子と正孔の対が存在しています。 Nベース領域の右側には、残留キャリアが存在せず、空乏層とも呼ばれる空間電荷領域（SCR）があります。IGBTのターンオフ時には、この領域に電圧が流れ、SCR領域の電子電流は徐々に減少し、正孔電流は徐々に増加します。
IGBT のゲート電圧がしきい値電圧 Vgeth まで低下し続けると、内部の MOS 伝導チャネルが完全にオフになり、In1 が 0 になり、PNP トランジスタのベース電流が遮断されます。 PNPトランジスタのエミッタは、Nベース領域にホールを注入しなくなります。図7はIGBTのオフ特性のt3に相当します。このとき、空間電荷領域の電子電流はゼロであり、負荷電流はホール電流Ip1によって完全に維持されますが、CSR領域の電子とホールは依然として存在します。
IGBT のコレクタ電圧 Vce がバス電圧まで上昇すると、コレクタ電流が急激に低下し、IC の低下率はデバイス自体の特性によって決まり、ゲートによって制御できなくなります。 図８は図７のｔ３〜ｔ４に相当する。 8. この段階の完了後、CSR領域にはまだ少数のキャリアが残っており、残りのキャリアの除去は主に再結合率によって決まり、外部にトレーリング電流として現れます。
この時点で、IGBT コレクタの電流低下率がゲートによって制御できるかどうかは、MOS チャネルによって注入される電子電流が IGBT 電流低下段階で依然として役割を果たしているかどうかによって決まることがおわかりでしょう。 ここで、IGBT のターンオフ減衰率を表す式は次のようになります。
この式から、In1 がオフになったときのコレクタ電流の立ち下がり勾配を制御するには、InXNUMX が一定の発言権を持たなければならないことを知るのは難しくありません。 MOS チャネルの電子流の割合を増やすにはどうすればよいでしょうか?
方法は2つあり、1つはIGBTのターンオフ速度を遅くする方法、もう1つはゲートに電子電流を注入する方法です。 現在、両方の方法は IGBT ゲート ドライブにうまく応用されています。 シャットダウン速度を遅くするにはどのような方法がありますか? もちろん、抵抗を増やすことは可能ですが、ターンオフの遅延または損失が非常に大きく、損失に見合う価値はありません。 もう一つの方法は、アクティブドライブ技術を採用し、IGBTの電流が低下した場合にのみIGBTのターンオフ速度を低下させる対策を講じることです。この方法は、スイッチング遅延、過電圧、損失の間で良好なバランスを実現できます。 国内のFeishideデジタルドライバーにはこの機能があるので、興味のある人はそれについて学ぶことができます（ここでは宣伝ではなく、純粋な技術交流です）！ では、ゲートに電流を注入するにはどうすればよいでしょうか? これは、コレクター電圧アクティブ クランプ技術と呼ばれるものです。
免責事項: この記事は「自動車半導体情報局」から転載されたものです。この記事は著者の個人的な見解のみを表すものであり、Sacco Micro および業界の見解を表すものではありません。知的財産権の保護をサポートするため、転載および共有のみを目的としています。転載する場合は、出典と作者を明記してください。侵害がある場合は、削除するためにご連絡ください。
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