Горячая линия
Обозреватель
Обозреватель
Каков процесс оборота IGBT? (Лекция 1)
2022-03-17
1493
Те, кто занимается силовой электроникой, могут быть знакомы с IGBT. Полное название — биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ). Это композитный полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор, состоящий из МОП (полевого транзистора с изолированным затвором) и биполярного транзистора (БПТ). В силовых электронных устройствах он широко известен как «процессор». При подаче управляющего сигнала затвором более десяти вольт Он может осуществлять контроль напряжения кВ и тока кА. Будучи национальной стратегической развивающейся отраслью, она широко используется в железнодорожном транспорте, интеллектуальных сетях, промышленном энергосбережении, электромобилях и новом энергетическом оборудовании.Но знаете ли вы на самом деле, что такое IGBT? Сегодня давайте обсудим процесс выключения IGBT. Прежде чем начать, давайте зададим вопрос. Вы можете его рассмотреть. На рисунке 1 показана зависимость между сопротивлением затвора IGBT в момент выключения и пиком напряжения:
Рисунок 1. Соотношение между перенапряжением выключения IGBT и сопротивлением затвора [1]При увеличении сопротивления затвора IGBT увеличится ли скачок напряжения? Что это за призрак? Отличается ли оно от того, что мы думали?Рассмотрим взаимосвязь между сопротивлением выключения и потерями при выключении IGBT. Из рисунка 2 видно, что сопротивление выключения IGBT мало влияет на потери при выключении.
Из двух приведенных выше изображений следует, что влияние на характеристики выключения IGBT через сопротивление затвора не является идеальным решением. Однако, если это так, то, возможно, решения нет? Должны быть какие-то методы, сначала продайте заточенного сына, а потом об этом поговорим!Сегодня давайте кратко поговорим о процессе выключения IGBT и проанализируем причины вышеуказанного явления от начала до конца.Чтобы понять процесс выключения IGBT, необходимо кратко рассмотреть принцип работы IGBT. Как упоминалось ранее, IGBT — это силовой прибор, состоящий из МОП-транзистора и биполярного транзистора. На рисунке 1 показана внутренняя структура и эквивалентная схема NPT IGBT. Мы все знаем, что IGBT — это биполярный прибор, то есть в проводимости участвуют как электроны, так и дырки. Предполагая, что электронный ток, текущий через МОП, равен I, а дырочный ток, текущий через p-n-p транзистор, равен I, ток коллектора IC, текущий через IGBT, равен I+IP.
В соответствии с принципом работы транзистора между током коллектора Ip и током базы in PNP-транзистора существует следующая зависимость:
βpnp — коэффициент усиления тока с общим эмиттером транзистора, а αpnp — коэффициент усиления тока с общей базой транзистора. Следует отметить, что PNP-транзистор на коллекторной стороне IGBT по своей структуре эквивалентен PNP-транзистору, что весьма далеко от характеристик транзистора, фактически используемого для усиления тока [3]. Реальный транзистор может усиливать ток, то есть Ip>>In, тогда как для IGBT электронный ток In в основном равен дырочному току Ip.Поговорив о транзисторах, давайте поговорим о МОП. Мы все знаем, что МОП — это устройство, управляемое напряжением. Ток канала In МОП имеет следующую зависимость от напряжения затвора в процессе переключения:
В этой формуле Kp — коэффициент, связанный со структурой устройства и характеристиками несущей, а Vge,th — пороговые напряжения.На этом этапе всем, возможно, станет ясно, что то, что мы контролируем напряжением затвора IGBT, на самом деле является внутренним МОП-транзистором, на который напрямую влияет электронный ток In, в то время как дырочный ток Ip не связан напрямую с напряжением затвора Vge.Возвращаясь к теме, давайте рассмотрим процесс выключения IGBT. Обычно процесс выключения IGBT можно разделить на пять этапов в зависимости от его внешних характеристик, как показано на следующем рисунке:
图4. IGBT-принтер
Этап 1 (t0-t1): конденсатор затвора разряжается, и напряжение затвора экспоненциально падает до напряжения платформы Maitreya Vgep. Этап 2 (t1-t2): На этапе платформы Maitreya напряжение затвора практически не меняется, а напряжение Vgep зависит от тока нагрузки. Ток затвора заряжает конденсатор Maitreya, и напряжение коллектора немного увеличивается. Этап 3 (t2-t3): На этапе роста напряжения коллектора напряжение коллектора Vce IGBT быстро увеличивается до напряжения шины. В то же время напряжение затвора падает от Vgep платформы Maitreya до порогового напряжения Vge,th, и затвор полностью выключается. Этап 4 (t3-t4): На этапе уменьшения тока коллектора напряжение коллектора IGBT увеличивается до напряжения шины Vdc, и диод, соответствующий IGBT, переходит в стадию прямой проводимости, и ток нагрузки быстро передается от IGBT к диоду. Ток Ic быстро падает до тока замыкания, а напряжение коллектора имеет определённый выброс напряжения из-за наличия паразитной индуктивности. Стадия 5 (t4–t5): Процесс тока замыкания, скорость спада тока на этой стадии в основном определяется временем жизни носителей заряда в приборе. Некоторые могут спросить, почему затвор выключается, когда ток начинает падать. Во многих работах показано, что когда ток коллектора IGBT падает до нуля, затвор выключается. Эти данные не создают проблем для понимания характеристик переключения IGBT. Строго говоря, некоторые проблемы есть, но давайте не будем слишком усложнять ситуацию. На самом деле, нам сложно проверить, когда затвор IGBT выключается, поскольку мы всё-таки не изучаем полупроводники и не знаем многих параметров! Ниже описывается процесс выключения IGBT с точки зрения внутренних механизмов: сначала рассмотрим распределение внутренних носителей заряда до выключения IGBT. Рис. 0 соответствует распределению внутренних носителей заряда в IGBT до t5 на рис. 0, то есть во включенном состоянии. Здесь мы в основном обсуждаем распределение носителей заряда в области N-базы, поскольку на характеристики переключения IGBT в основном влияют носители в области N-базы. В открытом состоянии область N-базы заполнена электронами и дырками, поэтому эту область также можно назвать областью хранения носителей (CSR) или плазмой. В открытом состоянии ток электронов и ток дырок в базовой области IGBT составляют приблизительно 4:3, главным образом потому, что подвижность электронов в три раза превышает подвижность дырок при тех же условиях [1].
При подаче на затвор IGBT нулевого или отрицательного напряжения смещения устройство переходит в режим выключения. Во-первых, с уменьшением напряжения на затворе электронный ток, инжектируемый из области истока N+ в область базы N- через канал МОП, постепенно уменьшается, в то время как внешний коллекторный ток остается неизменным под влиянием индуктивности нагрузки, поэтому электронный ток и ток дырок внутри модуля IGBT будут отклоняться от своего первоначального равновесного состояния. На рис. 3 показано изменение носителей в области N-базы IGBT на этом этапе, соответствующее распределению носителей в интервале t0-t3 на рис. 4, при котором большое количество пар электронов и дырок все еще существует в области CSR на левой стороне области N-базы. Справа от области N-базы расположена область пространственного заряда (ОПЗ), не содержащая остаточных носителей заряда и также называемая обеднённым слоем. При выключении IGBT эта область находится под напряжением, и ток электронов в ОПЗ постепенно уменьшается, а ток дырок постепенно увеличивается.
Когда напряжение затвора IGBT продолжает снижаться до порогового напряжения Vgeth, внутренний канал проводимости МОП-транзистора полностью выключается, и In1 становится равным 0, что отключает базовый ток PNP-транзистора. Эмиттер PNP-транзистора больше не будет инжектировать дырки в область N-базы. Рис. 7 соответствует моменту t3 выхода IGBT из строя. В этот момент ток электронов в области пространственного заряда равен нулю, а ток нагрузки полностью поддерживается током дырок Ip1, в то время как электроны и дырки в области CSR по-прежнему присутствуют.
Когда напряжение коллектора Vce IGBT возрастает до напряжения шины, ток коллектора быстро падает, а скорость падения тока IC определяется характеристиками самого устройства, которое больше не будет контролироваться затвором. Рис. 8 соответствует т3-т4 на рис. 4. После завершения этого этапа в зоне КСР остается еще несколько носителей, а элиминация оставшихся носителей определяется главным образом скоростью их рекомбинации, которая внешне проявляется как спадающий ток.
На этом этапе вы, возможно, понимаете, что возможность управления скоростью падения тока коллектора IGBT с помощью затвора зависит от того, играет ли электронный ток, инжектируемый каналом МОП, какую-либо роль на этапе падения тока IGBT. Здесь мы можем использовать формулу для описания скорости снижения выключения IGBT:
Из формулы нетрудно узнать, что In1 должен иметь определенное право говорить, чтобы управлять наклоном спада коллекторного тока при его выключении. Как мы можем увеличить долю электронного тока канала МОП?
Существует два метода: один — замедлить скорость выключения IGBT, а другой — инжектировать электронный ток в затвор. В настоящее время оба метода нашли хорошее применение в управлении затворами IGBT. Какие есть способы замедлить скорость выключения? Конечно, можно увеличить сопротивление, но задержка или потери на выключение очень велики, поэтому потери не стоят; Другой метод заключается в использовании технологии активного управления и принятии мер для замедления скорости выключения IGBT только при падении тока в IGBT. Этот метод позволяет достичь хорошего компромисса между задержкой переключения, перенапряжением и потерями. В отечественном цифровом драйвере Feishide такая функция есть, так что желающие могут о ней узнать (здесь это не реклама, это чисто технический обмен)! Тогда как подать ток в затвор? Это то, что мы часто называем технологией активного ограничения коллекторного напряжения.
Рисунок 1. Соотношение между перенапряжением выключения IGBT и сопротивлением затвора [1]При увеличении сопротивления затвора IGBT увеличится ли скачок напряжения? Что это за призрак? Отличается ли оно от того, что мы думали?Рассмотрим взаимосвязь между сопротивлением выключения и потерями при выключении IGBT. Из рисунка 2 видно, что сопротивление выключения IGBT мало влияет на потери при выключении.
Из двух приведенных выше изображений следует, что влияние на характеристики выключения IGBT через сопротивление затвора не является идеальным решением. Однако, если это так, то, возможно, решения нет? Должны быть какие-то методы, сначала продайте заточенного сына, а потом об этом поговорим!Сегодня давайте кратко поговорим о процессе выключения IGBT и проанализируем причины вышеуказанного явления от начала до конца.Чтобы понять процесс выключения IGBT, необходимо кратко рассмотреть принцип работы IGBT. Как упоминалось ранее, IGBT — это силовой прибор, состоящий из МОП-транзистора и биполярного транзистора. На рисунке 1 показана внутренняя структура и эквивалентная схема NPT IGBT. Мы все знаем, что IGBT — это биполярный прибор, то есть в проводимости участвуют как электроны, так и дырки. Предполагая, что электронный ток, текущий через МОП, равен I, а дырочный ток, текущий через p-n-p транзистор, равен I, ток коллектора IC, текущий через IGBT, равен I+IP.
В соответствии с принципом работы транзистора между током коллектора Ip и током базы in PNP-транзистора существует следующая зависимость:
βpnp — коэффициент усиления тока с общим эмиттером транзистора, а αpnp — коэффициент усиления тока с общей базой транзистора. Следует отметить, что PNP-транзистор на коллекторной стороне IGBT по своей структуре эквивалентен PNP-транзистору, что весьма далеко от характеристик транзистора, фактически используемого для усиления тока [3]. Реальный транзистор может усиливать ток, то есть Ip>>In, тогда как для IGBT электронный ток In в основном равен дырочному току Ip.Поговорив о транзисторах, давайте поговорим о МОП. Мы все знаем, что МОП — это устройство, управляемое напряжением. Ток канала In МОП имеет следующую зависимость от напряжения затвора в процессе переключения:
В этой формуле Kp — коэффициент, связанный со структурой устройства и характеристиками несущей, а Vge,th — пороговые напряжения.На этом этапе всем, возможно, станет ясно, что то, что мы контролируем напряжением затвора IGBT, на самом деле является внутренним МОП-транзистором, на который напрямую влияет электронный ток In, в то время как дырочный ток Ip не связан напрямую с напряжением затвора Vge.Возвращаясь к теме, давайте рассмотрим процесс выключения IGBT. Обычно процесс выключения IGBT можно разделить на пять этапов в зависимости от его внешних характеристик, как показано на следующем рисунке:
图4. IGBT-принтерЭтап 1 (t0-t1): конденсатор затвора разряжается, и напряжение затвора экспоненциально падает до напряжения платформы Maitreya Vgep. Этап 2 (t1-t2): На этапе платформы Maitreya напряжение затвора практически не меняется, а напряжение Vgep зависит от тока нагрузки. Ток затвора заряжает конденсатор Maitreya, и напряжение коллектора немного увеличивается. Этап 3 (t2-t3): На этапе роста напряжения коллектора напряжение коллектора Vce IGBT быстро увеличивается до напряжения шины. В то же время напряжение затвора падает от Vgep платформы Maitreya до порогового напряжения Vge,th, и затвор полностью выключается. Этап 4 (t3-t4): На этапе уменьшения тока коллектора напряжение коллектора IGBT увеличивается до напряжения шины Vdc, и диод, соответствующий IGBT, переходит в стадию прямой проводимости, и ток нагрузки быстро передается от IGBT к диоду. Ток Ic быстро падает до тока замыкания, а напряжение коллектора имеет определённый выброс напряжения из-за наличия паразитной индуктивности. Стадия 5 (t4–t5): Процесс тока замыкания, скорость спада тока на этой стадии в основном определяется временем жизни носителей заряда в приборе. Некоторые могут спросить, почему затвор выключается, когда ток начинает падать. Во многих работах показано, что когда ток коллектора IGBT падает до нуля, затвор выключается. Эти данные не создают проблем для понимания характеристик переключения IGBT. Строго говоря, некоторые проблемы есть, но давайте не будем слишком усложнять ситуацию. На самом деле, нам сложно проверить, когда затвор IGBT выключается, поскольку мы всё-таки не изучаем полупроводники и не знаем многих параметров! Ниже описывается процесс выключения IGBT с точки зрения внутренних механизмов: сначала рассмотрим распределение внутренних носителей заряда до выключения IGBT. Рис. 0 соответствует распределению внутренних носителей заряда в IGBT до t5 на рис. 0, то есть во включенном состоянии. Здесь мы в основном обсуждаем распределение носителей заряда в области N-базы, поскольку на характеристики переключения IGBT в основном влияют носители в области N-базы. В открытом состоянии область N-базы заполнена электронами и дырками, поэтому эту область также можно назвать областью хранения носителей (CSR) или плазмой. В открытом состоянии ток электронов и ток дырок в базовой области IGBT составляют приблизительно 4:3, главным образом потому, что подвижность электронов в три раза превышает подвижность дырок при тех же условиях [1].
При подаче на затвор IGBT нулевого или отрицательного напряжения смещения устройство переходит в режим выключения. Во-первых, с уменьшением напряжения на затворе электронный ток, инжектируемый из области истока N+ в область базы N- через канал МОП, постепенно уменьшается, в то время как внешний коллекторный ток остается неизменным под влиянием индуктивности нагрузки, поэтому электронный ток и ток дырок внутри модуля IGBT будут отклоняться от своего первоначального равновесного состояния. На рис. 3 показано изменение носителей в области N-базы IGBT на этом этапе, соответствующее распределению носителей в интервале t0-t3 на рис. 4, при котором большое количество пар электронов и дырок все еще существует в области CSR на левой стороне области N-базы. Справа от области N-базы расположена область пространственного заряда (ОПЗ), не содержащая остаточных носителей заряда и также называемая обеднённым слоем. При выключении IGBT эта область находится под напряжением, и ток электронов в ОПЗ постепенно уменьшается, а ток дырок постепенно увеличивается.
Когда напряжение затвора IGBT продолжает снижаться до порогового напряжения Vgeth, внутренний канал проводимости МОП-транзистора полностью выключается, и In1 становится равным 0, что отключает базовый ток PNP-транзистора. Эмиттер PNP-транзистора больше не будет инжектировать дырки в область N-базы. Рис. 7 соответствует моменту t3 выхода IGBT из строя. В этот момент ток электронов в области пространственного заряда равен нулю, а ток нагрузки полностью поддерживается током дырок Ip1, в то время как электроны и дырки в области CSR по-прежнему присутствуют.
Когда напряжение коллектора Vce IGBT возрастает до напряжения шины, ток коллектора быстро падает, а скорость падения тока IC определяется характеристиками самого устройства, которое больше не будет контролироваться затвором. Рис. 8 соответствует т3-т4 на рис. 4. После завершения этого этапа в зоне КСР остается еще несколько носителей, а элиминация оставшихся носителей определяется главным образом скоростью их рекомбинации, которая внешне проявляется как спадающий ток.
На этом этапе вы, возможно, понимаете, что возможность управления скоростью падения тока коллектора IGBT с помощью затвора зависит от того, играет ли электронный ток, инжектируемый каналом МОП, какую-либо роль на этапе падения тока IGBT. Здесь мы можем использовать формулу для описания скорости снижения выключения IGBT:
Из формулы нетрудно узнать, что In1 должен иметь определенное право говорить, чтобы управлять наклоном спада коллекторного тока при его выключении. Как мы можем увеличить долю электронного тока канала МОП?
Существует два метода: один — замедлить скорость выключения IGBT, а другой — инжектировать электронный ток в затвор. В настоящее время оба метода нашли хорошее применение в управлении затворами IGBT. Какие есть способы замедлить скорость выключения? Конечно, можно увеличить сопротивление, но задержка или потери на выключение очень велики, поэтому потери не стоят; Другой метод заключается в использовании технологии активного управления и принятии мер для замедления скорости выключения IGBT только при падении тока в IGBT. Этот метод позволяет достичь хорошего компромисса между задержкой переключения, перенапряжением и потерями. В отечественном цифровом драйвере Feishide такая функция есть, так что желающие могут о ней узнать (здесь это не реклама, это чисто технический обмен)! Тогда как подать ток в затвор? Это то, что мы часто называем технологией активного ограничения коллекторного напряжения.
Отказ от ответственности: Эта статья воспроизведена из «Бюро разведки автомобильных полупроводников». Эта статья отражает только личную точку зрения автора и не отражает точку зрения Sacco Micro и отрасли. Он предназначен только для перепечатки и распространения в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке просьба указывать первоисточник и автора. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.
Тел. компании: +86-0755-83044319
Факс/факс:+86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли
QQ: 332496225 Менеджер Цю
Адрес: комната 809, блок C, здание Zhantao Technology Building, проспект Минчжи № 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.
Связанные рекомендации
粤公网安备44030002007346号