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Qual é o processo de rotatividade do IGBT? (Aula 1)
2022-03-17
1493
Aqueles que se envolvem com eletrônica de potência podem estar familiarizados com o IGBT. O nome completo é Transistor Bipolar de Porta Isolada, que é um dispositivo semicondutor de potência composto por MOS (Transistor de Efeito de Campo de Porta Isolada) e BJT (Transistor Bipolar). É comumente conhecido como a "CPU" dos dispositivos de eletrônica de potência. Através de um sinal de controle de porta de mais de dez volts, Pode realizar o controle da tensão kV e da corrente kA. Como uma indústria emergente estratégica nacional, é amplamente utilizada em trânsito ferroviário, redes inteligentes, economia de energia industrial, veículos elétricos e novos equipamentos energéticos.Mas você realmente conhece o IGBT? Hoje, vamos discutir o processo de desligamento do IGBT. Antes de começar, vamos fazer uma pergunta. Você pode considerá-la. A Figura 1 mostra a relação entre a resistência da comporta de desligamento do IGBT e o pico de tensão:
Figura 1. Relação entre a sobretensão de desligamento do IGBT e a resistência do gate [1]Quando a resistência de gate off do IGBT é aumentada, o pico de tensão aumentará? Que tipo de fantasma é esse? É diferente do que pensávamos?Vamos analisar a relação entre a resistência de desligamento e a perda de desligamento do IGBT. A Figura 2 mostra que a resistência de desligamento do IGBT tem pouco efeito sobre a perda de desligamento.
Pelas duas imagens acima, parece que não é ideal influenciar as características de desligamento do IGBT por meio da resistência de gate. No entanto, se for esse o caso, não há solução? Deve haver alguns métodos, primeiro venda um filho preso e depois falaremos sobre isso!Hoje, vamos falar brevemente sobre o processo de desligamento do IGBT e analisar as causas do fenômeno acima desde a raiz.Para entender o processo de desligamento do IGBT, é necessário revisar brevemente o princípio de funcionamento do IGBT. Como mencionado anteriormente, o IGBT é um dispositivo de energia composto por MOS e BJT. A Figura 1 mostra a estrutura interna e o circuito equivalente do IGBT NPT. Todos sabemos que o IGBT é um dispositivo bipolar, ou seja, tanto elétrons quanto lacunas participam da condução. Supondo que a corrente de elétrons que flui através do MOS seja in e a corrente de lacuna que flui através do transistor pnp seja Ip, a corrente de coletor IC que flui através do IGBT seja in+IP.
De acordo com o princípio de funcionamento do transistor, existe a seguinte relação entre a corrente de coletor Ip e a corrente de base do transistor PNP:
βpnp é o fator de amplificação da corrente do emissor comum do transistor, e αpnp é o fator de amplificação da corrente de base comum do transistor. Deve-se notar que o transistor PNP no lado do coletor do IGBT é equivalente apenas ao transistor PNP em estrutura, o que está longe do transistor realmente usado para amplificação de corrente em desempenho [3]. O transistor real pode amplificar a corrente, ou seja, Ip>>In, enquanto que para o IGBT, a corrente de elétrons In é basicamente igual à corrente de lacunas Ip.Depois de falar sobre transistores, vamos falar sobre MOS. Todos sabemos que o MOS é um dispositivo controlado por voltagem. A corrente do canal In do MOS tem a seguinte relação com a tensão da porta no processo de comutação:
Nesta fórmula, Kp é o coeficiente relacionado à estrutura do dispositivo e às características da portadora, e Vge,th são as tensões limite.Neste ponto, pode estar um pouco claro para todos que o que controlamos, a tensão de porta do IGBT, é na verdade o MOS interno, que é diretamente afetado pela corrente de elétrons In, enquanto a corrente de lacuna Ip não está diretamente relacionada à tensão de porta Vge.Voltando ao assunto, vamos dar uma olhada no processo de desligamento do IGBT. Normalmente, o processo de desligamento do IGBT pode ser dividido em cinco etapas, de acordo com suas características externas, conforme mostrado na figura a seguir:
4. IGBT关断外特性
Estágio 1 (t0-t1): o capacitor de porta descarrega e a tensão de porta cai exponencialmente para a tensão da plataforma Maitreya Vgep. Estágio 2 (t1-t2): No estágio da plataforma Maitreya, a tensão de porta permanece basicamente inalterada e a tensão Vgep depende da corrente de carga. A corrente de porta carrega o capacitor Maitreya e a tensão do coletor aumenta ligeiramente. Estágio 3 (t2-t3): No estágio de aumento da tensão do coletor, a tensão do coletor Vce do IGBT sobe rapidamente para a tensão do barramento. Ao mesmo tempo, a tensão de porta cai da plataforma Maitreya Vgep para a tensão limite Vge,th, e a porta é completamente desligada. Estágio 4 (t3-t4): No estágio de diminuição da corrente do coletor, a tensão do coletor do IGBT aumentou para a tensão do barramento Vdc, e o diodo correspondente ao IGBT entra no estágio de condução direta, e a corrente de carga é rapidamente transferida do IGBT para o diodo. A corrente de Ic cai rapidamente para a corrente de fuga, e a tensão do coletor apresenta um certo overshoot de tensão devido à existência de indutância parasita. Estágio 5 (t4-t5): Processo de corrente de fuga; a velocidade de declínio da corrente neste estágio é determinada principalmente pela vida útil da portadora do dispositivo. Algumas pessoas podem se perguntar por que a porta é desligada quando a corrente começa a cair. Muitos artigos mostram que, quando a corrente de coletor do IGBT cai para 0, a porta é desligada. Esses números não apresentam problemas para a compreensão simples das características de comutação do IGBT. A rigor, existem alguns problemas, mas não vamos nos aprofundar muito. Na verdade, é difícil para nós testar quando a porta do IGBT está desligada, porque não estamos estudando semicondutores e não conhecemos muitos parâmetros! A seguir, descrevemos o processo de desligamento do IGBT a partir do nível do mecanismo interno: primeiro, observe a distribuição das portadoras internas antes do IGBT ser desligado. A Fig. 5 corresponde à distribuição de portadoras internas no IGBT antes de t0 na Fig. 4, ou seja, no estado ligado. Aqui, discutimos principalmente a distribuição de portadoras na região N-base, porque as características de comutação do IGBT são afetadas principalmente pelas portadoras na região N-base. No estado ligado, a região N-base é cheia de elétrons e lacunas, portanto, essa região também pode ser chamada de Região de Armazenamento de Portadoras (CSR) ou Plasma. Durante o processo no estado ligado, a corrente de elétrons e a corrente de lacunas na região da base do IGBT são aproximadamente 3:1, principalmente porque a mobilidade dos elétrons é três vezes maior que a dos lacunas nas mesmas condições [4].
Quando uma tensão de polarização zero ou negativa é aplicada ao gate do IGBT, o dispositivo entra no processo de desligamento. Em primeiro lugar, com a diminuição da tensão da porta, a corrente de elétrons injetada da região da fonte N+ para a região da base N- através do canal MOS diminui gradualmente, enquanto a corrente do coletor externo permanece inalterada sob a influência da indutância de carga, de modo que a corrente de elétrons e a corrente de lacuna dentro do módulo IGBT se desviarão de seu estado de equilíbrio original. A Fig. 3 ilustra a mudança de portadores na região da base N do IGBT neste estágio, correspondendo à distribuição de portadores em t0-t3 na Fig. 4, na qual um grande número de pares de elétrons e lacunas ainda existem na região CSR no lado esquerdo da região da base N. No lado direito da região da base N, há uma Região de Carga Espacial (SCR), que não possui portadores residuais e também pode ser chamada de camada de depleção. Durante o desligamento do IGBT, essa região carrega voltagem, e a corrente de elétrons na região da SCR diminui gradualmente, enquanto a corrente de lacuna aumenta gradualmente.
Quando a tensão de porta do IGBT continua a diminuir até a tensão limite Vgeth, o canal de condução MOS interno é completamente desligado, e In1 é 0, o que corta a corrente de base do transistor PNP. O emissor do transistor PNP não injetará mais lacunas na região da base N. A Figura 7 corresponde ao t3 da característica de não-característica do IGBT. Nesse momento, a corrente de elétrons na região de carga espacial é zero e a corrente de carga é totalmente mantida pela corrente de lacuna Ip1, enquanto os elétrons e lacunas na região CSR ainda existem.
Quando a tensão do coletor Vce do IGBT aumenta até a tensão do barramento, a corrente do coletor cai rapidamente, e a taxa de queda do CI é determinada pelas características do próprio dispositivo, que não será mais controlado pelo gate. A Fig. 8 corresponde a t3-t4 na fig. 4. Após a conclusão desta etapa, ainda restam algumas portadoras na área de CSR, e a eliminação das demais portadoras é determinada principalmente pela sua taxa de recombinação, que aparece externamente como corrente residual.
Neste ponto, você pode entender que a possibilidade de a taxa de queda de corrente do coletor IGBT ser controlada pelo gate depende se a corrente de elétrons injetada pelo canal MOS ainda desempenha um papel no estágio de queda de corrente do IGBT. Aqui podemos usar a fórmula para descrever a taxa de declínio de desligamento do IGBT:
Não é difícil descobrir pela fórmula que In1 deve ter certo direito de falar para controlar a inclinação decrescente da corrente do coletor quando ele é desligado. Como podemos aumentar a proporção da corrente de elétrons do canal MOS?
Existem dois métodos: um é diminuir a velocidade de desligamento do IGBT e o outro é injetar corrente de elétrons no gate. Atualmente, ambos os métodos têm boas aplicações em acionamentos de portas IGBT. Quais são as maneiras de diminuir a velocidade de desligamento? Claro que é possível aumentar a resistência, mas o atraso ou perda no desligamento é muito grande, o que não vale a pena perder; O outro método consiste em adotar a tecnologia de acionamento ativo e tomar medidas para reduzir a velocidade de desligamento do IGBT somente quando a corrente do IGBT cair. Este método pode alcançar um bom equilíbrio entre atraso de comutação, sobretensão e perdas. O driver digital Feishide doméstico tem essa função, para que quem tiver interesse possa conhecer (não é publicidade aqui, é troca puramente técnica)! Então como injetar corrente no portão? Isso é o que costumamos chamar de tecnologia de fixação ativa de tensão do coletor.
Figura 1. Relação entre a sobretensão de desligamento do IGBT e a resistência do gate [1]Quando a resistência de gate off do IGBT é aumentada, o pico de tensão aumentará? Que tipo de fantasma é esse? É diferente do que pensávamos?Vamos analisar a relação entre a resistência de desligamento e a perda de desligamento do IGBT. A Figura 2 mostra que a resistência de desligamento do IGBT tem pouco efeito sobre a perda de desligamento.
Pelas duas imagens acima, parece que não é ideal influenciar as características de desligamento do IGBT por meio da resistência de gate. No entanto, se for esse o caso, não há solução? Deve haver alguns métodos, primeiro venda um filho preso e depois falaremos sobre isso!Hoje, vamos falar brevemente sobre o processo de desligamento do IGBT e analisar as causas do fenômeno acima desde a raiz.Para entender o processo de desligamento do IGBT, é necessário revisar brevemente o princípio de funcionamento do IGBT. Como mencionado anteriormente, o IGBT é um dispositivo de energia composto por MOS e BJT. A Figura 1 mostra a estrutura interna e o circuito equivalente do IGBT NPT. Todos sabemos que o IGBT é um dispositivo bipolar, ou seja, tanto elétrons quanto lacunas participam da condução. Supondo que a corrente de elétrons que flui através do MOS seja in e a corrente de lacuna que flui através do transistor pnp seja Ip, a corrente de coletor IC que flui através do IGBT seja in+IP.
De acordo com o princípio de funcionamento do transistor, existe a seguinte relação entre a corrente de coletor Ip e a corrente de base do transistor PNP:
βpnp é o fator de amplificação da corrente do emissor comum do transistor, e αpnp é o fator de amplificação da corrente de base comum do transistor. Deve-se notar que o transistor PNP no lado do coletor do IGBT é equivalente apenas ao transistor PNP em estrutura, o que está longe do transistor realmente usado para amplificação de corrente em desempenho [3]. O transistor real pode amplificar a corrente, ou seja, Ip>>In, enquanto que para o IGBT, a corrente de elétrons In é basicamente igual à corrente de lacunas Ip.Depois de falar sobre transistores, vamos falar sobre MOS. Todos sabemos que o MOS é um dispositivo controlado por voltagem. A corrente do canal In do MOS tem a seguinte relação com a tensão da porta no processo de comutação:
Nesta fórmula, Kp é o coeficiente relacionado à estrutura do dispositivo e às características da portadora, e Vge,th são as tensões limite.Neste ponto, pode estar um pouco claro para todos que o que controlamos, a tensão de porta do IGBT, é na verdade o MOS interno, que é diretamente afetado pela corrente de elétrons In, enquanto a corrente de lacuna Ip não está diretamente relacionada à tensão de porta Vge.Voltando ao assunto, vamos dar uma olhada no processo de desligamento do IGBT. Normalmente, o processo de desligamento do IGBT pode ser dividido em cinco etapas, de acordo com suas características externas, conforme mostrado na figura a seguir:
4. IGBT关断外特性Estágio 1 (t0-t1): o capacitor de porta descarrega e a tensão de porta cai exponencialmente para a tensão da plataforma Maitreya Vgep. Estágio 2 (t1-t2): No estágio da plataforma Maitreya, a tensão de porta permanece basicamente inalterada e a tensão Vgep depende da corrente de carga. A corrente de porta carrega o capacitor Maitreya e a tensão do coletor aumenta ligeiramente. Estágio 3 (t2-t3): No estágio de aumento da tensão do coletor, a tensão do coletor Vce do IGBT sobe rapidamente para a tensão do barramento. Ao mesmo tempo, a tensão de porta cai da plataforma Maitreya Vgep para a tensão limite Vge,th, e a porta é completamente desligada. Estágio 4 (t3-t4): No estágio de diminuição da corrente do coletor, a tensão do coletor do IGBT aumentou para a tensão do barramento Vdc, e o diodo correspondente ao IGBT entra no estágio de condução direta, e a corrente de carga é rapidamente transferida do IGBT para o diodo. A corrente de Ic cai rapidamente para a corrente de fuga, e a tensão do coletor apresenta um certo overshoot de tensão devido à existência de indutância parasita. Estágio 5 (t4-t5): Processo de corrente de fuga; a velocidade de declínio da corrente neste estágio é determinada principalmente pela vida útil da portadora do dispositivo. Algumas pessoas podem se perguntar por que a porta é desligada quando a corrente começa a cair. Muitos artigos mostram que, quando a corrente de coletor do IGBT cai para 0, a porta é desligada. Esses números não apresentam problemas para a compreensão simples das características de comutação do IGBT. A rigor, existem alguns problemas, mas não vamos nos aprofundar muito. Na verdade, é difícil para nós testar quando a porta do IGBT está desligada, porque não estamos estudando semicondutores e não conhecemos muitos parâmetros! A seguir, descrevemos o processo de desligamento do IGBT a partir do nível do mecanismo interno: primeiro, observe a distribuição das portadoras internas antes do IGBT ser desligado. A Fig. 5 corresponde à distribuição de portadoras internas no IGBT antes de t0 na Fig. 4, ou seja, no estado ligado. Aqui, discutimos principalmente a distribuição de portadoras na região N-base, porque as características de comutação do IGBT são afetadas principalmente pelas portadoras na região N-base. No estado ligado, a região N-base é cheia de elétrons e lacunas, portanto, essa região também pode ser chamada de Região de Armazenamento de Portadoras (CSR) ou Plasma. Durante o processo no estado ligado, a corrente de elétrons e a corrente de lacunas na região da base do IGBT são aproximadamente 3:1, principalmente porque a mobilidade dos elétrons é três vezes maior que a dos lacunas nas mesmas condições [4].
Quando uma tensão de polarização zero ou negativa é aplicada ao gate do IGBT, o dispositivo entra no processo de desligamento. Em primeiro lugar, com a diminuição da tensão da porta, a corrente de elétrons injetada da região da fonte N+ para a região da base N- através do canal MOS diminui gradualmente, enquanto a corrente do coletor externo permanece inalterada sob a influência da indutância de carga, de modo que a corrente de elétrons e a corrente de lacuna dentro do módulo IGBT se desviarão de seu estado de equilíbrio original. A Fig. 3 ilustra a mudança de portadores na região da base N do IGBT neste estágio, correspondendo à distribuição de portadores em t0-t3 na Fig. 4, na qual um grande número de pares de elétrons e lacunas ainda existem na região CSR no lado esquerdo da região da base N. No lado direito da região da base N, há uma Região de Carga Espacial (SCR), que não possui portadores residuais e também pode ser chamada de camada de depleção. Durante o desligamento do IGBT, essa região carrega voltagem, e a corrente de elétrons na região da SCR diminui gradualmente, enquanto a corrente de lacuna aumenta gradualmente.
Quando a tensão de porta do IGBT continua a diminuir até a tensão limite Vgeth, o canal de condução MOS interno é completamente desligado, e In1 é 0, o que corta a corrente de base do transistor PNP. O emissor do transistor PNP não injetará mais lacunas na região da base N. A Figura 7 corresponde ao t3 da característica de não-característica do IGBT. Nesse momento, a corrente de elétrons na região de carga espacial é zero e a corrente de carga é totalmente mantida pela corrente de lacuna Ip1, enquanto os elétrons e lacunas na região CSR ainda existem.
Quando a tensão do coletor Vce do IGBT aumenta até a tensão do barramento, a corrente do coletor cai rapidamente, e a taxa de queda do CI é determinada pelas características do próprio dispositivo, que não será mais controlado pelo gate. A Fig. 8 corresponde a t3-t4 na fig. 4. Após a conclusão desta etapa, ainda restam algumas portadoras na área de CSR, e a eliminação das demais portadoras é determinada principalmente pela sua taxa de recombinação, que aparece externamente como corrente residual.
Neste ponto, você pode entender que a possibilidade de a taxa de queda de corrente do coletor IGBT ser controlada pelo gate depende se a corrente de elétrons injetada pelo canal MOS ainda desempenha um papel no estágio de queda de corrente do IGBT. Aqui podemos usar a fórmula para descrever a taxa de declínio de desligamento do IGBT:
Não é difícil descobrir pela fórmula que In1 deve ter certo direito de falar para controlar a inclinação decrescente da corrente do coletor quando ele é desligado. Como podemos aumentar a proporção da corrente de elétrons do canal MOS?
Existem dois métodos: um é diminuir a velocidade de desligamento do IGBT e o outro é injetar corrente de elétrons no gate. Atualmente, ambos os métodos têm boas aplicações em acionamentos de portas IGBT. Quais são as maneiras de diminuir a velocidade de desligamento? Claro que é possível aumentar a resistência, mas o atraso ou perda no desligamento é muito grande, o que não vale a pena perder; O outro método consiste em adotar a tecnologia de acionamento ativo e tomar medidas para reduzir a velocidade de desligamento do IGBT somente quando a corrente do IGBT cair. Este método pode alcançar um bom equilíbrio entre atraso de comutação, sobretensão e perdas. O driver digital Feishide doméstico tem essa função, para que quem tiver interesse possa conhecer (não é publicidade aqui, é troca puramente técnica)! Então como injetar corrente no portão? Isso é o que costumamos chamar de tecnologia de fixação ativa de tensão do coletor.
Isenção de responsabilidade: este artigo foi reproduzido do "Automotive Semiconductor Intelligence Bureau". Este artigo representa apenas as opiniões pessoais do autor e não representa as opiniões da Sacco Micro e da indústria. Destina-se apenas à reimpressão e partilha para apoiar a proteção dos direitos de propriedade intelectual. Por favor, indique a fonte original e o autor ao reimprimir. Se houver alguma violação, entre em contato conosco para excluí-la.
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