Hotline Perkhidmatan
Kolumnis
Kolumnis
Apakah proses pusing ganti IGBT? (Kuliah 1)
2022-03-17
1493
Mereka yang terlibat dalam elektronik kuasa mungkin biasa dengan IGBT. Nama penuhnya ialah Transistor Bipolar Gerbang Bertebat, yang merupakan peranti semikonduktor kuasa terkawal sepenuhnya komposit yang terdiri daripada MOS (Transistor Kesan Medan Gerbang Bertebat) dan BJT (Transistor Bipolar). Ia biasanya dikenali sebagai "CPU" peranti elektronik kuasa. Melalui isyarat kawalan pintu lebih daripada sepuluh volt, Ia boleh merealisasikan kawalan voltan kV dan arus kA. Sebagai industri baru muncul strategik negara, ia digunakan secara meluas dalam transit rel, grid pintar, penjimatan tenaga industri, kenderaan elektrik dan peralatan tenaga baharu.Tetapi adakah anda benar-benar tahu IGBT? Hari ini, mari kita bincangkan proses mematikan IGBT. Sebelum kita mula, mari kita melontarkan soalan. Anda boleh mempertimbangkannya. Rajah 1 menunjukkan hubungan antara rintangan get turn-off IGBT dan lonjakan voltan:
Rajah 1. Hubungan antara voltan lampau pemadaman IGBT dan rintangan get [1]Apabila rintangan get off IGBT dinaikkan, lonjakan voltan akan meningkat? Hantu jenis apakah ini? Adakah ia berbeza dengan apa yang kita fikirkan?Mari kita lihat hubungan antara rintangan turn-off dan kehilangan turn-off IGBT. Ia boleh dilihat daripada Rajah 2 bahawa rintangan pusing IGBT mempunyai sedikit kesan ke atas kehilangan pusingan.
Daripada dua gambar di atas, nampaknya tidak sesuai untuk mempengaruhi ciri-ciri turn-off IGBT melalui rintangan pintu. Walau bagaimanapun, ini adalah kesnya, jadi adakah tiada penyelesaian? Mesti ada beberapa kaedah, mula-mula jual anak penjara, baru kita bincang nanti!Hari ini, mari kita bercakap secara ringkas tentang proses penutupan IGBT, dan menganalisis punca fenomena di atas dari akarnya.Untuk memahami proses mematikan IGBT, adalah perlu untuk mengkaji secara ringkas prinsip kerja IGBT. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, IGBT ialah peranti kuasa yang terdiri daripada MOS dan BJT. Rajah 1 menunjukkan struktur dalaman dan litar setara NPT IGBT. Kita semua tahu bahawa IGBT adalah peranti bipolar, iaitu, kedua-dua elektron dan lubang mengambil bahagian dalam pengaliran. Dengan mengandaikan bahawa arus elektron yang mengalir melalui MOS berada dalam dan arus lubang yang mengalir melalui transistor pnp ialah Ip, IC arus pengumpul yang mengalir melalui IGBT adalah dalam + IP.
Mengikut prinsip kerja transistor, hubungan berikut wujud antara Ip arus pengumpul dan arus asas dalam transistor PNP:
βpnp ialah faktor penguatan arus pemancar biasa bagi transistor, dan αpnp ialah faktor penguatan arus asas biasa bagi transistor. Perlu diingatkan bahawa transistor PNP pada bahagian pengumpul IGBT hanya setara dengan transistor PNP dalam struktur, yang jauh dari transistor yang sebenarnya digunakan untuk penguatan semasa dalam prestasi [3]. Transistor sebenar boleh menguatkan arus, iaitu, Ip>>In, manakala untuk IGBT, arus elektron In pada asasnya sama dengan Ip semasa lubang.Selepas bercakap tentang transistor, mari kita bercakap tentang MOS. Kita semua tahu bahawa MOS ialah peranti yang dikawal voltan. Arus saluran In MOS mempunyai hubungan berikut dengan voltan get dalam proses pensuisan:
Dalam formula ini, Kp ialah pekali yang berkaitan dengan struktur peranti dan ciri pembawa, dan Vge, th ialah voltan ambang.Pada ketika ini, mungkin agak jelas kepada semua orang bahawa apa yang kita kawal voltan pintu IGBT sebenarnya adalah MOS dalaman, yang secara langsung dipengaruhi oleh arus elektron In, manakala Ip semasa lubang tidak berkaitan secara langsung dengan voltan get Vge.Kembali ke topik, mari kita lihat proses mematikan IGBT. Biasanya, proses mematikan IGBT boleh dibahagikan kepada lima peringkat mengikut ciri luarannya, seperti yang ditunjukkan dalam rajah berikut:
图4. IGBT关断外特性
Peringkat 1(t0-t1): kapasitor get dilepaskan, dan voltan get turun secara eksponen kepada voltan platform Maitreya Vgep. Peringkat 2(t1-t2): Dalam peringkat platform Maitreya, voltan get pada asasnya tidak berubah, dan voltan Vgep bergantung pada arus beban. Arus pintu mengecas kapasitor Maitreya, dan voltan pengumpul meningkat sedikit. Peringkat 3(t2-t3): Dalam peringkat voltan pengumpul meningkat, voltan pengumpul Vce IGBT dengan cepat meningkat kepada voltan bas. Pada masa yang sama, voltan get turun dari platform Maitreya Vgep ke voltan ambang Vge,th, dan get dimatikan sepenuhnya. Peringkat 4(t3-t4): Dalam peringkat arus pengumpul berkurangan, voltan pengumpul IGBT telah meningkat kepada voltan bas Vdc, dan diod yang sepadan dengan IGBT memasuki peringkat pengaliran hadapan, dan arus beban dipindahkan dengan cepat dari IGBT ke diod. Arus Ic turun dengan cepat ke arus trailing, dan voltan pengumpul mempunyai overshoot voltan tertentu kerana kewujudan induktansi sesat. Peringkat 5(t4-t5): Proses arus mengekori, kelajuan penurunan arus dalam peringkat ini ditentukan terutamanya oleh jangka hayat pembawa peranti. Sesetengah orang mungkin bertanya mengapa pintu pagar dimatikan apabila arus mula menurun. Banyak kertas menunjukkan bahawa apabila arus pengumpul IGBT turun kepada 0, pintu pagar akan mati. Angka-angka ini tidak mempunyai masalah untuk memahami ciri-ciri pertukaran IGBT. Tegasnya, ada beberapa masalah, tetapi jangan terlalu terjerat. Sebenarnya, sukar untuk kami menguji apabila pintu IGBT dimatikan, kerana kami tidak mempelajari semikonduktor selepas semua, dan kami tidak tahu banyak parameter! Berikut menerangkan proses mematikan IGBT dari peringkat mekanisme dalaman: Pertama, lihat pengedaran pembawa dalaman sebelum IGBT dimatikan. Rajah 5 sepadan dengan taburan pembawa dalaman dalam IGBT sebelum t0 dalam rajah. 4, iaitu dalam keadaan on. Di sini, kami membincangkan taburan pembawa di rantau pangkalan N, kerana ciri pensuisan IGBT dipengaruhi terutamanya oleh pembawa di rantau pangkalan N. Pada keadaan, kawasan pangkalan N- penuh dengan elektron dan lubang, jadi wilayah ini juga boleh dipanggil Wilayah Penyimpanan Pembawa (CSR) atau Plasma. Semasa proses on-state, arus elektron dan arus lubang di kawasan asas IGBT adalah lebih kurang 3: 1, terutamanya kerana mobiliti elektron adalah tiga kali ganda daripada lubang di bawah keadaan yang sama [4].
Apabila voltan pincang sifar atau negatif dikenakan pada pintu IGBT, peranti memasuki proses penutupan. Pertama, dengan penurunan voltan get, arus elektron yang disuntik dari kawasan sumber N+ ke kawasan asas N melalui saluran MOS secara beransur-ansur berkurangan, manakala arus pengumpul luaran kekal tidak berubah di bawah pengaruh kearuhan beban, jadi arus elektron dan arus lubang di dalam modul IGBT akan menyimpang daripada keadaan keseimbangan asalnya. Rajah 3 menggambarkan perubahan pembawa di kawasan asas N IGBT pada peringkat ini, sepadan dengan pengagihan pembawa dalam t0-t3 dalam rajah. 4, di mana sebilangan besar pasangan elektron dan lubang masih wujud di rantau CSR di sebelah kiri rantau N-bes. Di sebelah kanan kawasan pangkalan N, terdapat Wilayah Caj Angkasa (SCR), yang tidak mempunyai pembawa sisa dan juga boleh dipanggil lapisan penyusutan. Semasa mematikan IGBT, rantau ini membawa voltan, dan arus elektron di rantau SCR beransur-ansur berkurangan, manakala arus lubang secara beransur-ansur meningkat.
Apabila voltan get IGBT terus menurun kepada voltan ambang Vgeth, saluran pengaliran MOS dalaman dimatikan sepenuhnya, dan In1 ialah 0, yang memotong arus asas transistor PNP. Pemancar transistor PNP tidak lagi akan menyuntik lubang ke kawasan asas N. Rajah 7 sepadan dengan t3 ciri luar IGBT. Pada masa ini, arus elektron di kawasan cas angkasa adalah sifar, dan arus beban dikekalkan sepenuhnya oleh arus lubang Ip1, manakala elektron dan lubang di kawasan CSR masih wujud.
Apabila voltan pemungut Vce IGBT meningkat kepada voltan bas, arus pengumpul menurun dengan cepat, dan kadar penurunan IC ditentukan oleh ciri-ciri peranti itu sendiri, yang tidak lagi akan dikawal oleh pintu masuk. Rajah 8 sepadan dengan t3-t4 dalam rajah. 4. Selepas selesai peringkat ini, masih terdapat beberapa pembawa yang tinggal di kawasan CSR, dan penghapusan pembawa yang selebihnya ditentukan terutamanya oleh kadar penggabungan semula mereka, yang kelihatan sebagai arus mengekor secara luaran.
Pada ketika ini, anda mungkin memahami bahawa sama ada kadar penurunan semasa pengumpul IGBT boleh dikawal oleh get bergantung pada sama ada arus elektron yang disuntik oleh saluran MOS masih memainkan peranan dalam peringkat penurunan arus IGBT. Di sini kita boleh menggunakan formula untuk menerangkan kadar penurunan mematikan IGBT:
Tidak sukar untuk mengetahui daripada formula bahawa In1 mesti mempunyai hak tertentu untuk bercakap untuk mengawal cerun kejatuhan arus pengumpul apabila ia dimatikan. Bagaimanakah kita boleh meningkatkan perkadaran arus elektron saluran MOS?
Terdapat dua kaedah, satu adalah untuk memperlahankan kelajuan turn-off IGBT, dan satu lagi adalah untuk menyuntik arus elektron ke dalam pintu. Pada masa ini, kedua-dua kaedah mempunyai aplikasi yang baik dalam pemacu pintu IGBT. Apakah cara untuk memperlahankan kelajuan penutupan? Sudah tentu, adalah mungkin untuk meningkatkan rintangan, tetapi kelewatan atau kerugian turn-off adalah sangat besar, yang tidak bernilai kerugian; Kaedah lain ialah menggunakan teknologi pemacu aktif, dan mengambil langkah untuk memperlahankan kelajuan mematikan IGBT hanya apabila arus IGBT menurun. Kaedah ini boleh mencapai kompromi yang baik antara kelewatan pensuisan, lebihan voltan dan kehilangan. Pemacu digital Feishide Domestik mempunyai fungsi ini, jadi mereka yang berminat boleh belajar mengenainya (ia bukan pengiklanan di sini, ia adalah pertukaran teknikal semata-mata)! Kemudian bagaimana untuk menyuntik arus ke dalam pintu? Inilah yang sering kita panggil teknologi penjepit aktif voltan pengumpul.
Rajah 1. Hubungan antara voltan lampau pemadaman IGBT dan rintangan get [1]Apabila rintangan get off IGBT dinaikkan, lonjakan voltan akan meningkat? Hantu jenis apakah ini? Adakah ia berbeza dengan apa yang kita fikirkan?Mari kita lihat hubungan antara rintangan turn-off dan kehilangan turn-off IGBT. Ia boleh dilihat daripada Rajah 2 bahawa rintangan pusing IGBT mempunyai sedikit kesan ke atas kehilangan pusingan.
Daripada dua gambar di atas, nampaknya tidak sesuai untuk mempengaruhi ciri-ciri turn-off IGBT melalui rintangan pintu. Walau bagaimanapun, ini adalah kesnya, jadi adakah tiada penyelesaian? Mesti ada beberapa kaedah, mula-mula jual anak penjara, baru kita bincang nanti!Hari ini, mari kita bercakap secara ringkas tentang proses penutupan IGBT, dan menganalisis punca fenomena di atas dari akarnya.Untuk memahami proses mematikan IGBT, adalah perlu untuk mengkaji secara ringkas prinsip kerja IGBT. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, IGBT ialah peranti kuasa yang terdiri daripada MOS dan BJT. Rajah 1 menunjukkan struktur dalaman dan litar setara NPT IGBT. Kita semua tahu bahawa IGBT adalah peranti bipolar, iaitu, kedua-dua elektron dan lubang mengambil bahagian dalam pengaliran. Dengan mengandaikan bahawa arus elektron yang mengalir melalui MOS berada dalam dan arus lubang yang mengalir melalui transistor pnp ialah Ip, IC arus pengumpul yang mengalir melalui IGBT adalah dalam + IP.
Mengikut prinsip kerja transistor, hubungan berikut wujud antara Ip arus pengumpul dan arus asas dalam transistor PNP:
βpnp ialah faktor penguatan arus pemancar biasa bagi transistor, dan αpnp ialah faktor penguatan arus asas biasa bagi transistor. Perlu diingatkan bahawa transistor PNP pada bahagian pengumpul IGBT hanya setara dengan transistor PNP dalam struktur, yang jauh dari transistor yang sebenarnya digunakan untuk penguatan semasa dalam prestasi [3]. Transistor sebenar boleh menguatkan arus, iaitu, Ip>>In, manakala untuk IGBT, arus elektron In pada asasnya sama dengan Ip semasa lubang.Selepas bercakap tentang transistor, mari kita bercakap tentang MOS. Kita semua tahu bahawa MOS ialah peranti yang dikawal voltan. Arus saluran In MOS mempunyai hubungan berikut dengan voltan get dalam proses pensuisan:
Dalam formula ini, Kp ialah pekali yang berkaitan dengan struktur peranti dan ciri pembawa, dan Vge, th ialah voltan ambang.Pada ketika ini, mungkin agak jelas kepada semua orang bahawa apa yang kita kawal voltan pintu IGBT sebenarnya adalah MOS dalaman, yang secara langsung dipengaruhi oleh arus elektron In, manakala Ip semasa lubang tidak berkaitan secara langsung dengan voltan get Vge.Kembali ke topik, mari kita lihat proses mematikan IGBT. Biasanya, proses mematikan IGBT boleh dibahagikan kepada lima peringkat mengikut ciri luarannya, seperti yang ditunjukkan dalam rajah berikut:
图4. IGBT关断外特性Peringkat 1(t0-t1): kapasitor get dilepaskan, dan voltan get turun secara eksponen kepada voltan platform Maitreya Vgep. Peringkat 2(t1-t2): Dalam peringkat platform Maitreya, voltan get pada asasnya tidak berubah, dan voltan Vgep bergantung pada arus beban. Arus pintu mengecas kapasitor Maitreya, dan voltan pengumpul meningkat sedikit. Peringkat 3(t2-t3): Dalam peringkat voltan pengumpul meningkat, voltan pengumpul Vce IGBT dengan cepat meningkat kepada voltan bas. Pada masa yang sama, voltan get turun dari platform Maitreya Vgep ke voltan ambang Vge,th, dan get dimatikan sepenuhnya. Peringkat 4(t3-t4): Dalam peringkat arus pengumpul berkurangan, voltan pengumpul IGBT telah meningkat kepada voltan bas Vdc, dan diod yang sepadan dengan IGBT memasuki peringkat pengaliran hadapan, dan arus beban dipindahkan dengan cepat dari IGBT ke diod. Arus Ic turun dengan cepat ke arus trailing, dan voltan pengumpul mempunyai overshoot voltan tertentu kerana kewujudan induktansi sesat. Peringkat 5(t4-t5): Proses arus mengekori, kelajuan penurunan arus dalam peringkat ini ditentukan terutamanya oleh jangka hayat pembawa peranti. Sesetengah orang mungkin bertanya mengapa pintu pagar dimatikan apabila arus mula menurun. Banyak kertas menunjukkan bahawa apabila arus pengumpul IGBT turun kepada 0, pintu pagar akan mati. Angka-angka ini tidak mempunyai masalah untuk memahami ciri-ciri pertukaran IGBT. Tegasnya, ada beberapa masalah, tetapi jangan terlalu terjerat. Sebenarnya, sukar untuk kami menguji apabila pintu IGBT dimatikan, kerana kami tidak mempelajari semikonduktor selepas semua, dan kami tidak tahu banyak parameter! Berikut menerangkan proses mematikan IGBT dari peringkat mekanisme dalaman: Pertama, lihat pengedaran pembawa dalaman sebelum IGBT dimatikan. Rajah 5 sepadan dengan taburan pembawa dalaman dalam IGBT sebelum t0 dalam rajah. 4, iaitu dalam keadaan on. Di sini, kami membincangkan taburan pembawa di rantau pangkalan N, kerana ciri pensuisan IGBT dipengaruhi terutamanya oleh pembawa di rantau pangkalan N. Pada keadaan, kawasan pangkalan N- penuh dengan elektron dan lubang, jadi wilayah ini juga boleh dipanggil Wilayah Penyimpanan Pembawa (CSR) atau Plasma. Semasa proses on-state, arus elektron dan arus lubang di kawasan asas IGBT adalah lebih kurang 3: 1, terutamanya kerana mobiliti elektron adalah tiga kali ganda daripada lubang di bawah keadaan yang sama [4].
Apabila voltan pincang sifar atau negatif dikenakan pada pintu IGBT, peranti memasuki proses penutupan. Pertama, dengan penurunan voltan get, arus elektron yang disuntik dari kawasan sumber N+ ke kawasan asas N melalui saluran MOS secara beransur-ansur berkurangan, manakala arus pengumpul luaran kekal tidak berubah di bawah pengaruh kearuhan beban, jadi arus elektron dan arus lubang di dalam modul IGBT akan menyimpang daripada keadaan keseimbangan asalnya. Rajah 3 menggambarkan perubahan pembawa di kawasan asas N IGBT pada peringkat ini, sepadan dengan pengagihan pembawa dalam t0-t3 dalam rajah. 4, di mana sebilangan besar pasangan elektron dan lubang masih wujud di rantau CSR di sebelah kiri rantau N-bes. Di sebelah kanan kawasan pangkalan N, terdapat Wilayah Caj Angkasa (SCR), yang tidak mempunyai pembawa sisa dan juga boleh dipanggil lapisan penyusutan. Semasa mematikan IGBT, rantau ini membawa voltan, dan arus elektron di rantau SCR beransur-ansur berkurangan, manakala arus lubang secara beransur-ansur meningkat.
Apabila voltan get IGBT terus menurun kepada voltan ambang Vgeth, saluran pengaliran MOS dalaman dimatikan sepenuhnya, dan In1 ialah 0, yang memotong arus asas transistor PNP. Pemancar transistor PNP tidak lagi akan menyuntik lubang ke kawasan asas N. Rajah 7 sepadan dengan t3 ciri luar IGBT. Pada masa ini, arus elektron di kawasan cas angkasa adalah sifar, dan arus beban dikekalkan sepenuhnya oleh arus lubang Ip1, manakala elektron dan lubang di kawasan CSR masih wujud.
Apabila voltan pemungut Vce IGBT meningkat kepada voltan bas, arus pengumpul menurun dengan cepat, dan kadar penurunan IC ditentukan oleh ciri-ciri peranti itu sendiri, yang tidak lagi akan dikawal oleh pintu masuk. Rajah 8 sepadan dengan t3-t4 dalam rajah. 4. Selepas selesai peringkat ini, masih terdapat beberapa pembawa yang tinggal di kawasan CSR, dan penghapusan pembawa yang selebihnya ditentukan terutamanya oleh kadar penggabungan semula mereka, yang kelihatan sebagai arus mengekor secara luaran.
Pada ketika ini, anda mungkin memahami bahawa sama ada kadar penurunan semasa pengumpul IGBT boleh dikawal oleh get bergantung pada sama ada arus elektron yang disuntik oleh saluran MOS masih memainkan peranan dalam peringkat penurunan arus IGBT. Di sini kita boleh menggunakan formula untuk menerangkan kadar penurunan mematikan IGBT:
Tidak sukar untuk mengetahui daripada formula bahawa In1 mesti mempunyai hak tertentu untuk bercakap untuk mengawal cerun kejatuhan arus pengumpul apabila ia dimatikan. Bagaimanakah kita boleh meningkatkan perkadaran arus elektron saluran MOS?
Terdapat dua kaedah, satu adalah untuk memperlahankan kelajuan turn-off IGBT, dan satu lagi adalah untuk menyuntik arus elektron ke dalam pintu. Pada masa ini, kedua-dua kaedah mempunyai aplikasi yang baik dalam pemacu pintu IGBT. Apakah cara untuk memperlahankan kelajuan penutupan? Sudah tentu, adalah mungkin untuk meningkatkan rintangan, tetapi kelewatan atau kerugian turn-off adalah sangat besar, yang tidak bernilai kerugian; Kaedah lain ialah menggunakan teknologi pemacu aktif, dan mengambil langkah untuk memperlahankan kelajuan mematikan IGBT hanya apabila arus IGBT menurun. Kaedah ini boleh mencapai kompromi yang baik antara kelewatan pensuisan, lebihan voltan dan kehilangan. Pemacu digital Feishide Domestik mempunyai fungsi ini, jadi mereka yang berminat boleh belajar mengenainya (ia bukan pengiklanan di sini, ia adalah pertukaran teknikal semata-mata)! Kemudian bagaimana untuk menyuntik arus ke dalam pintu? Inilah yang sering kita panggil teknologi penjepit aktif voltan pengumpul.
Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "Biro Perisikan Semikonduktor Automotif". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi pengarang, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk mencetak semula dan berkongsi untuk menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber dan pengarang asal semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.
Tel Syarikat: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
SQ: 3518641314 Pengurus Li
QQ: 332496225 Pengurus Qiu
Alamat: Bilik 809, Blok C, Bangunan Teknologi Zhantao, No.1079 Minzhi Avenue, Daerah Baru Longhua, Shenzhen
Syor Berkaitan
粤公网安备44030002007346号