บริการสายด่วน
คอลัม
คอลัม
กระบวนการหมุนเวียน IGBT คืออะไร? (บรรยายครั้งที่ 1)
2022-03-17
1493
ผู้ที่ทำงานเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์กำลังอาจคุ้นเคยกับ IGBT ชื่อเต็มคือ Insulated Gate Bipolar Transistor ซึ่งเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลังแบบผสมที่ควบคุมได้อย่างสมบูรณ์ ประกอบด้วย MOS (Insulated Gate Field Effect Transistor) และ BJT (Bipolar Transistor) โดยทั่วไปแล้ว IGBT มักถูกเรียกว่า "CPU" ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ผ่านสัญญาณควบคุมเกตที่มีแรงดันไฟฟ้ามากกว่าสิบโวลต์ สามารถควบคุมแรงดัน kV และกระแส kA ได้ เนื่องจากเป็นอุตสาหกรรมเกิดใหม่เชิงยุทธศาสตร์ระดับชาติ จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการขนส่งทางรถไฟ สมาร์ทกริด การประหยัดพลังงานในอุตสาหกรรม ยานพาหนะไฟฟ้า และอุปกรณ์พลังงานใหม่แต่คุณรู้จัก IGBT จริงๆ หรือไม่? วันนี้เรามาพูดคุยกันถึงกระบวนการปิดการทำงานของ IGBT ก่อนเริ่ม ลองตั้งคำถามกันดูก่อน ลองพิจารณาดูนะครับ รูปที่ 1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของเกตปิดการทำงานของ IGBT และแรงดันสไปค์:
รูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟเกินของ IGBT ที่ปิดและความต้านทานของเกต [1]เมื่อความต้านทานเกตออฟของ IGBT เพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าสไปค์จะเพิ่มขึ้นใช่หรือไม่? นี่มันผีอะไรวะเนี่ย? มันแตกต่างจากที่เราคิดหรือเปล่า?ลองมาดูความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานการปิดเครื่องและการสูญเสียการปิดเครื่องของ IGBT จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าความต้านทานการปิดเครื่องของ IGBT มีผลเพียงเล็กน้อยต่อการสูญเสียการปิดเครื่อง
จากภาพสองภาพด้านบน ดูเหมือนว่าการใช้ความต้านทานเกตเพื่อควบคุมคุณสมบัติการปิดของ IGBT จะไม่เหมาะสมนัก อย่างไรก็ตาม หากเป็นเช่นนั้นจริง ก็คงไม่มีวิธีแก้ปัญหาใช่ไหม จะต้องมีวิธีการบางอย่าง ขายลูกชายที่ถูกคุมขังก่อน แล้วเราจะพูดถึงเรื่องนี้ในภายหลัง!วันนี้เรามาพูดคุยสั้นๆ เกี่ยวกับกระบวนการปิดระบบ IGBT และวิเคราะห์สาเหตุของปรากฏการณ์ดังกล่าวตั้งแต่ต้นทางกันเพื่อทำความเข้าใจกระบวนการปิดการทำงานของ IGBT จำเป็นต้องทบทวนหลักการทำงานของ IGBT เสียก่อน ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว IGBT เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ประกอบด้วย MOS และ BJT รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างภายในและวงจรสมมูลของ NPT IGBT เราทุกคนทราบกันดีว่า IGBT เป็นอุปกรณ์แบบสองขั้ว กล่าวคือ ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลมีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้า โดยถือว่ากระแสอิเล็กตรอนที่ไหลผ่าน MOS อยู่ที่ in และกระแสโฮลที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์ pnp อยู่ที่ Ip กระแสคอลเลกเตอร์ IC ที่ไหลผ่าน IGBT อยู่ที่ in+IP
ตามหลักการทำงานของทรานซิสเตอร์ มีความสัมพันธ์ต่อไปนี้ระหว่าง Ip กระแสสะสมและกระแสฐานในของทรานซิสเตอร์ PNP:
βpnp เป็นปัจจัยการขยายกระแสไฟทั่วไปของทรานซิสเตอร์ และ αpnp เป็นปัจจัยการขยายกระแสฐานร่วมของทรานซิสเตอร์ ควรสังเกตว่าทรานซิสเตอร์ PNP บนด้านคอลเลกเตอร์ของ IGBT มีโครงสร้างเทียบเท่ากับทรานซิสเตอร์ PNP เท่านั้น ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในการขยายกระแสจริงในด้านประสิทธิภาพ [3] ทรานซิสเตอร์จริงสามารถขยายกระแสได้ นั่นคือ Ip>>In ในขณะที่ IGBT กระแสอิเล็กตรอน In จะเท่ากับกระแสโฮล Ip โดยพื้นฐานแล้วหลังจากพูดถึงทรานซิสเตอร์แล้ว เรามาพูดถึง MOS กันดีกว่า เราทุกคนรู้ดีว่า MOS เป็นอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า ช่องกระแส In ของ MOS มีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้กับแรงดันเกตในกระบวนการสวิตชิ่ง:
ในสูตรนี้ Kp คือค่าสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างอุปกรณ์และคุณลักษณะพาหะ และ Vge,th คือแรงดันไฟฟ้าขีดจำกัดณ จุดนี้ อาจจะค่อนข้างชัดเจนสำหรับทุกคนว่าสิ่งที่เราควบคุมแรงดันเกตของ IGBT จริงๆ แล้วคือ MOS ภายใน ซึ่งได้รับผลกระทบโดยตรงจากกระแสอิเล็กตรอน In ในขณะที่กระแสโฮล Ip ไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับแรงดันเกต Vgeกลับมาที่หัวข้อเดิม มาดูกระบวนการปิด IGBT กัน โดยทั่วไป กระบวนการปิด IGBT สามารถแบ่งได้เป็น 5 ขั้นตอนตามลักษณะภายนอก ดังแสดงในรูปต่อไปนี้
ภาพที่4. IGBT 关断外特性
ขั้นตอนที่ 1 (t0-t1): ตัวเก็บประจุเกตคายประจุ และแรงดันเกตลดลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลไปยังแรงดันไฟฟ้า Vgep ของแพลตฟอร์ม Maitreya ขั้นตอนที่ 2 (t1-t2): ในขั้นตอนของแพลตฟอร์ม Maitreya แรงดันเกตแทบจะไม่เปลี่ยนแปลง และแรงดัน Vgep ขึ้นอยู่กับกระแสโหลด กระแสเกตจะชาร์จประจุตัวเก็บประจุ Maitreya และแรงดันคอลเลกเตอร์จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ขั้นตอนที่ 3 (t2-t3): ในขั้นตอนของแรงดันคอลเลกเตอร์ที่เพิ่มขึ้น แรงดันคอลเลกเตอร์ Vce ของ IGBT จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วไปยังแรงดันบัส ในเวลาเดียวกัน แรงดันเกตจะลดลงจากแพลตฟอร์ม Maitreya Vgep ไปยังแรงดันเกณฑ์ Vge,th และเกตจะถูกปิดโดยสมบูรณ์ ขั้นตอนที่ 4 (t3-t4): ในขั้นตอนของกระแสคอลเลกเตอร์ลดลง แรงดันคอลเลกเตอร์ของ IGBT เพิ่มขึ้นไปยังแรงดันบัส Vdc และไดโอดที่สอดคล้องกับ IGBT จะเข้าสู่ขั้นตอนการนำไฟฟ้าไปข้างหน้า และกระแสโหลดจะถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วจาก IGBT ไปยังไดโอด กระแสของ IGBT ลดลงอย่างรวดเร็วจนถึงกระแสทวนกระแส และแรงดันคอลเลกเตอร์จะมีแรงดันเกินระดับหนึ่งเนื่องจากความเหนี่ยวนำแบบสเตรย์ ขั้นตอนที่ 5 (t4-t5): กระบวนการกระแสทวนกระแส ความเร็วของการลดลงของกระแสในขั้นตอนนี้ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยอายุการใช้งานของพาหะของอุปกรณ์ บางคนอาจสงสัยว่าทำไมเกตจึงปิดเมื่อกระแสเริ่มลดลง บทความหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่าเมื่อกระแสคอลเลกเตอร์ของ IGBT ลดลงเหลือ 0 เกตจะปิด ตัวเลขเหล่านี้ไม่เป็นปัญหาสำหรับการทำความเข้าใจลักษณะการสลับของ IGBT อย่างแท้จริง พูดกันตรงๆ ก็คือมีปัญหาอยู่บ้าง แต่อย่าไปยุ่งเกี่ยวมากเกินไป อันที่จริงแล้ว เป็นเรื่องยากสำหรับเราที่จะทดสอบว่าเกตของ IGBT ปิดเมื่อใด เพราะเราไม่ได้ศึกษาเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำ และเราก็ไม่รู้พารามิเตอร์มากนัก! ต่อไปนี้จะอธิบายกระบวนการปิด IGBT จากระดับกลไกภายใน: ขั้นแรก ให้ดูการกระจายตัวของพาหะภายในก่อนที่ IGBT จะถูกปิด รูปที่ 5 สอดคล้องกับการกระจายตัวของตัวพาภายในใน IGBT ก่อน t0 ในรูปที่ 4 นั่นคือในสถานะเปิด ในที่นี้ เราจะกล่าวถึงการกระจายตัวของตัวพาในบริเวณฐาน N เป็นหลัก เนื่องจากลักษณะการสลับของ IGBT ได้รับผลกระทบจากตัวพาในบริเวณฐาน N เป็นหลัก สถานะเปิด บริเวณฐาน N เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนและโฮล ดังนั้นบริเวณนี้จึงอาจเรียกว่า บริเวณเก็บตัวพา (CSR) หรือพลาสมา ในระหว่างกระบวนการสถานะเปิด กระแสอิเล็กตรอนและกระแสโฮลในบริเวณฐานของ IGBT จะอยู่ที่ประมาณ 3:1 ส่วนใหญ่เป็นเพราะความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงกว่าโฮลสามเท่าภายใต้สภาวะเดียวกัน [4]
เมื่อแรงดันไฟฟ้าไบอัสศูนย์หรือลบถูกนำไปใช้กับเกตของ IGBT อุปกรณ์จะเข้าสู่กระบวนการปิดระบบ ประการแรก เมื่อแรงดันเกตลดลง กระแสอิเล็กตรอนที่ฉีดจากบริเวณแหล่ง N+ ไปยังบริเวณฐาน N ผ่านช่อง MOS จะค่อยๆ ลดลง ในขณะที่กระแสคอลเลกเตอร์ภายนอกยังคงไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของเหนี่ยวนำโหลด ดังนั้น กระแสอิเล็กตรอนและกระแสโฮลภายในโมดูล IGBT จะเบี่ยงเบนไปจากสถานะสมดุลเดิม รูปที่ 3 แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของตัวพาในบริเวณฐาน N ของ IGBT ในระยะนี้ ซึ่งสอดคล้องกับการกระจายตัวของตัวพาใน t0-t3 ในรูปที่ 4 โดยที่คู่ของอิเล็กตรอนและโฮลจำนวนมากยังคงมีอยู่ในบริเวณ CSR ทางด้านซ้ายของบริเวณฐาน N ทางด้านขวาของบริเวณฐาน N มีบริเวณประจุไฟฟ้า (Space Charge Region: SCR) ซึ่งไม่มีพาหะตกค้าง และเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าชั้นพร่อง (depletion layer) ในระหว่างการปิด IGBT บริเวณนี้จะทำหน้าที่ส่งแรงดันไฟฟ้า และกระแสอิเล็กตรอนในบริเวณ SCR จะค่อยๆ ลดลง ขณะที่กระแสโฮลจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น
เมื่อแรงดันเกตของ IGBT ลดลงอย่างต่อเนื่องจนถึงแรงดันเกณฑ์ Vgeth ช่องนำไฟฟ้า MOS ภายในจะปิดโดยสมบูรณ์ และ In1 จะเป็น 0 ซึ่งจะตัดกระแสฐานของทรานซิสเตอร์ PNP ตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์ PNP จะไม่ฉีดโฮลเข้าไปในบริเวณฐาน N อีกต่อไป รูปที่ 7 สอดคล้องกับ t3 ของคุณสมบัติพิเศษของ IGBT ณ เวลานี้ กระแสอิเล็กตรอนในบริเวณประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ และกระแสโหลดจะถูกคงไว้อย่างสมบูรณ์โดยกระแสโฮล Ip1 ในขณะที่อิเล็กตรอนและโฮลในบริเวณ CSR ยังคงอยู่
เมื่อแรงดันคอลเลกเตอร์ Vce ของ IGBT เพิ่มขึ้นถึงแรงดันบัส กระแสคอลเลกเตอร์จะลดลงอย่างรวดเร็ว และอัตราการลดลงของ IC จะถูกกำหนดโดยคุณลักษณะของอุปกรณ์นั้นเอง ซึ่งจะไม่ถูกควบคุมโดยเกตอีกต่อไป รูปที่ 8 สอดคล้องกับ t3-t4 ในรูป 4. หลังจากเสร็จสิ้นขั้นตอนนี้ ยังมีพาหะจำนวนหนึ่งที่เหลืออยู่ในพื้นที่ CSR และการกำจัดพาหะที่เหลืออยู่ส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยอัตราการรวมตัวกันใหม่ ซึ่งจะปรากฏเป็นกระแสต่อท้ายจากภายนอก
ณ จุดนี้ คุณจะเข้าใจได้ว่าอัตราการหยดกระแสของตัวรวบรวม IGBT สามารถควบคุมโดยเกตได้หรือไม่ ขึ้นอยู่กับว่ากระแสอิเล็กตรอนที่ฉีดโดยช่อง MOS ยังคงมีบทบาทในขั้นตอนการลดกระแส IGBT หรือไม่ ที่นี่เราสามารถใช้สูตรเพื่ออธิบายอัตราการลดลงการปิด IGBT:
จากสูตรพบว่า In1 ต้องมีสิทธิ์พูดได้ไม่ยากเพื่อควบคุมความชันที่ตกของกระแสสะสมเมื่อปิดเครื่อง เราจะเพิ่มสัดส่วนกระแสอิเล็กตรอนของช่อง MOS ได้อย่างไร?
มีสองวิธี วิธีหนึ่งคือลดความเร็วในการปิด IGBT และอีกวิธีหนึ่งคือฉีดกระแสอิเล็กตรอนเข้าไปในเกต ในปัจจุบัน ทั้งสองวิธีมีการประยุกต์ใช้งานที่ดีในไดรฟ์เกต IGBT วิธีชะลอความเร็วการปิดระบบมีอะไรบ้าง? แน่นอนว่าเป็นไปได้ที่จะเพิ่มความต้านทาน แต่ความล่าช้าหรือการสูญเสียในการปิดเครื่องนั้นมีมากซึ่งไม่คุ้มกับการสูญเสีย อีกวิธีหนึ่งคือการใช้เทคโนโลยีไดรฟ์แบบแอคทีฟ และดำเนินมาตรการเพื่อชะลอความเร็วในการปิด IGBT เฉพาะเมื่อกระแสของ IGBT ลดลงเท่านั้น วิธีนี้สามารถประนีประนอมระหว่างความล่าช้าในการสลับ แรงดันไฟเกิน และการสูญเสียได้อย่างดี ไดรเวอร์ดิจิทัล Feishide ในประเทศมีฟังก์ชันนี้ ดังนั้นผู้ที่สนใจสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับมันได้ (ไม่ใช่การโฆษณาที่นี่ แต่เป็นการแลกเปลี่ยนทางเทคนิคล้วนๆ)! แล้วจะฉีดกระแสเข้าเกทได้อย่างไร? นี่คือสิ่งที่เรามักเรียกว่าเทคโนโลยีการจับยึดแบบแอคทีฟแรงดันไฟฟ้าแบบสะสม
รูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟเกินของ IGBT ที่ปิดและความต้านทานของเกต [1]เมื่อความต้านทานเกตออฟของ IGBT เพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าสไปค์จะเพิ่มขึ้นใช่หรือไม่? นี่มันผีอะไรวะเนี่ย? มันแตกต่างจากที่เราคิดหรือเปล่า?ลองมาดูความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานการปิดเครื่องและการสูญเสียการปิดเครื่องของ IGBT จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าความต้านทานการปิดเครื่องของ IGBT มีผลเพียงเล็กน้อยต่อการสูญเสียการปิดเครื่อง
จากภาพสองภาพด้านบน ดูเหมือนว่าการใช้ความต้านทานเกตเพื่อควบคุมคุณสมบัติการปิดของ IGBT จะไม่เหมาะสมนัก อย่างไรก็ตาม หากเป็นเช่นนั้นจริง ก็คงไม่มีวิธีแก้ปัญหาใช่ไหม จะต้องมีวิธีการบางอย่าง ขายลูกชายที่ถูกคุมขังก่อน แล้วเราจะพูดถึงเรื่องนี้ในภายหลัง!วันนี้เรามาพูดคุยสั้นๆ เกี่ยวกับกระบวนการปิดระบบ IGBT และวิเคราะห์สาเหตุของปรากฏการณ์ดังกล่าวตั้งแต่ต้นทางกันเพื่อทำความเข้าใจกระบวนการปิดการทำงานของ IGBT จำเป็นต้องทบทวนหลักการทำงานของ IGBT เสียก่อน ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว IGBT เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ประกอบด้วย MOS และ BJT รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างภายในและวงจรสมมูลของ NPT IGBT เราทุกคนทราบกันดีว่า IGBT เป็นอุปกรณ์แบบสองขั้ว กล่าวคือ ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลมีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้า โดยถือว่ากระแสอิเล็กตรอนที่ไหลผ่าน MOS อยู่ที่ in และกระแสโฮลที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์ pnp อยู่ที่ Ip กระแสคอลเลกเตอร์ IC ที่ไหลผ่าน IGBT อยู่ที่ in+IP
ตามหลักการทำงานของทรานซิสเตอร์ มีความสัมพันธ์ต่อไปนี้ระหว่าง Ip กระแสสะสมและกระแสฐานในของทรานซิสเตอร์ PNP:
βpnp เป็นปัจจัยการขยายกระแสไฟทั่วไปของทรานซิสเตอร์ และ αpnp เป็นปัจจัยการขยายกระแสฐานร่วมของทรานซิสเตอร์ ควรสังเกตว่าทรานซิสเตอร์ PNP บนด้านคอลเลกเตอร์ของ IGBT มีโครงสร้างเทียบเท่ากับทรานซิสเตอร์ PNP เท่านั้น ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในการขยายกระแสจริงในด้านประสิทธิภาพ [3] ทรานซิสเตอร์จริงสามารถขยายกระแสได้ นั่นคือ Ip>>In ในขณะที่ IGBT กระแสอิเล็กตรอน In จะเท่ากับกระแสโฮล Ip โดยพื้นฐานแล้วหลังจากพูดถึงทรานซิสเตอร์แล้ว เรามาพูดถึง MOS กันดีกว่า เราทุกคนรู้ดีว่า MOS เป็นอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า ช่องกระแส In ของ MOS มีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้กับแรงดันเกตในกระบวนการสวิตชิ่ง:
ในสูตรนี้ Kp คือค่าสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างอุปกรณ์และคุณลักษณะพาหะ และ Vge,th คือแรงดันไฟฟ้าขีดจำกัดณ จุดนี้ อาจจะค่อนข้างชัดเจนสำหรับทุกคนว่าสิ่งที่เราควบคุมแรงดันเกตของ IGBT จริงๆ แล้วคือ MOS ภายใน ซึ่งได้รับผลกระทบโดยตรงจากกระแสอิเล็กตรอน In ในขณะที่กระแสโฮล Ip ไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับแรงดันเกต Vgeกลับมาที่หัวข้อเดิม มาดูกระบวนการปิด IGBT กัน โดยทั่วไป กระบวนการปิด IGBT สามารถแบ่งได้เป็น 5 ขั้นตอนตามลักษณะภายนอก ดังแสดงในรูปต่อไปนี้
ภาพที่4. IGBT 关断外特性ขั้นตอนที่ 1 (t0-t1): ตัวเก็บประจุเกตคายประจุ และแรงดันเกตลดลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลไปยังแรงดันไฟฟ้า Vgep ของแพลตฟอร์ม Maitreya ขั้นตอนที่ 2 (t1-t2): ในขั้นตอนของแพลตฟอร์ม Maitreya แรงดันเกตแทบจะไม่เปลี่ยนแปลง และแรงดัน Vgep ขึ้นอยู่กับกระแสโหลด กระแสเกตจะชาร์จประจุตัวเก็บประจุ Maitreya และแรงดันคอลเลกเตอร์จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ขั้นตอนที่ 3 (t2-t3): ในขั้นตอนของแรงดันคอลเลกเตอร์ที่เพิ่มขึ้น แรงดันคอลเลกเตอร์ Vce ของ IGBT จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วไปยังแรงดันบัส ในเวลาเดียวกัน แรงดันเกตจะลดลงจากแพลตฟอร์ม Maitreya Vgep ไปยังแรงดันเกณฑ์ Vge,th และเกตจะถูกปิดโดยสมบูรณ์ ขั้นตอนที่ 4 (t3-t4): ในขั้นตอนของกระแสคอลเลกเตอร์ลดลง แรงดันคอลเลกเตอร์ของ IGBT เพิ่มขึ้นไปยังแรงดันบัส Vdc และไดโอดที่สอดคล้องกับ IGBT จะเข้าสู่ขั้นตอนการนำไฟฟ้าไปข้างหน้า และกระแสโหลดจะถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วจาก IGBT ไปยังไดโอด กระแสของ IGBT ลดลงอย่างรวดเร็วจนถึงกระแสทวนกระแส และแรงดันคอลเลกเตอร์จะมีแรงดันเกินระดับหนึ่งเนื่องจากความเหนี่ยวนำแบบสเตรย์ ขั้นตอนที่ 5 (t4-t5): กระบวนการกระแสทวนกระแส ความเร็วของการลดลงของกระแสในขั้นตอนนี้ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยอายุการใช้งานของพาหะของอุปกรณ์ บางคนอาจสงสัยว่าทำไมเกตจึงปิดเมื่อกระแสเริ่มลดลง บทความหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่าเมื่อกระแสคอลเลกเตอร์ของ IGBT ลดลงเหลือ 0 เกตจะปิด ตัวเลขเหล่านี้ไม่เป็นปัญหาสำหรับการทำความเข้าใจลักษณะการสลับของ IGBT อย่างแท้จริง พูดกันตรงๆ ก็คือมีปัญหาอยู่บ้าง แต่อย่าไปยุ่งเกี่ยวมากเกินไป อันที่จริงแล้ว เป็นเรื่องยากสำหรับเราที่จะทดสอบว่าเกตของ IGBT ปิดเมื่อใด เพราะเราไม่ได้ศึกษาเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำ และเราก็ไม่รู้พารามิเตอร์มากนัก! ต่อไปนี้จะอธิบายกระบวนการปิด IGBT จากระดับกลไกภายใน: ขั้นแรก ให้ดูการกระจายตัวของพาหะภายในก่อนที่ IGBT จะถูกปิด รูปที่ 5 สอดคล้องกับการกระจายตัวของตัวพาภายในใน IGBT ก่อน t0 ในรูปที่ 4 นั่นคือในสถานะเปิด ในที่นี้ เราจะกล่าวถึงการกระจายตัวของตัวพาในบริเวณฐาน N เป็นหลัก เนื่องจากลักษณะการสลับของ IGBT ได้รับผลกระทบจากตัวพาในบริเวณฐาน N เป็นหลัก สถานะเปิด บริเวณฐาน N เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนและโฮล ดังนั้นบริเวณนี้จึงอาจเรียกว่า บริเวณเก็บตัวพา (CSR) หรือพลาสมา ในระหว่างกระบวนการสถานะเปิด กระแสอิเล็กตรอนและกระแสโฮลในบริเวณฐานของ IGBT จะอยู่ที่ประมาณ 3:1 ส่วนใหญ่เป็นเพราะความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงกว่าโฮลสามเท่าภายใต้สภาวะเดียวกัน [4]
เมื่อแรงดันไฟฟ้าไบอัสศูนย์หรือลบถูกนำไปใช้กับเกตของ IGBT อุปกรณ์จะเข้าสู่กระบวนการปิดระบบ ประการแรก เมื่อแรงดันเกตลดลง กระแสอิเล็กตรอนที่ฉีดจากบริเวณแหล่ง N+ ไปยังบริเวณฐาน N ผ่านช่อง MOS จะค่อยๆ ลดลง ในขณะที่กระแสคอลเลกเตอร์ภายนอกยังคงไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของเหนี่ยวนำโหลด ดังนั้น กระแสอิเล็กตรอนและกระแสโฮลภายในโมดูล IGBT จะเบี่ยงเบนไปจากสถานะสมดุลเดิม รูปที่ 3 แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของตัวพาในบริเวณฐาน N ของ IGBT ในระยะนี้ ซึ่งสอดคล้องกับการกระจายตัวของตัวพาใน t0-t3 ในรูปที่ 4 โดยที่คู่ของอิเล็กตรอนและโฮลจำนวนมากยังคงมีอยู่ในบริเวณ CSR ทางด้านซ้ายของบริเวณฐาน N ทางด้านขวาของบริเวณฐาน N มีบริเวณประจุไฟฟ้า (Space Charge Region: SCR) ซึ่งไม่มีพาหะตกค้าง และเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าชั้นพร่อง (depletion layer) ในระหว่างการปิด IGBT บริเวณนี้จะทำหน้าที่ส่งแรงดันไฟฟ้า และกระแสอิเล็กตรอนในบริเวณ SCR จะค่อยๆ ลดลง ขณะที่กระแสโฮลจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น
เมื่อแรงดันเกตของ IGBT ลดลงอย่างต่อเนื่องจนถึงแรงดันเกณฑ์ Vgeth ช่องนำไฟฟ้า MOS ภายในจะปิดโดยสมบูรณ์ และ In1 จะเป็น 0 ซึ่งจะตัดกระแสฐานของทรานซิสเตอร์ PNP ตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์ PNP จะไม่ฉีดโฮลเข้าไปในบริเวณฐาน N อีกต่อไป รูปที่ 7 สอดคล้องกับ t3 ของคุณสมบัติพิเศษของ IGBT ณ เวลานี้ กระแสอิเล็กตรอนในบริเวณประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ และกระแสโหลดจะถูกคงไว้อย่างสมบูรณ์โดยกระแสโฮล Ip1 ในขณะที่อิเล็กตรอนและโฮลในบริเวณ CSR ยังคงอยู่
เมื่อแรงดันคอลเลกเตอร์ Vce ของ IGBT เพิ่มขึ้นถึงแรงดันบัส กระแสคอลเลกเตอร์จะลดลงอย่างรวดเร็ว และอัตราการลดลงของ IC จะถูกกำหนดโดยคุณลักษณะของอุปกรณ์นั้นเอง ซึ่งจะไม่ถูกควบคุมโดยเกตอีกต่อไป รูปที่ 8 สอดคล้องกับ t3-t4 ในรูป 4. หลังจากเสร็จสิ้นขั้นตอนนี้ ยังมีพาหะจำนวนหนึ่งที่เหลืออยู่ในพื้นที่ CSR และการกำจัดพาหะที่เหลืออยู่ส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยอัตราการรวมตัวกันใหม่ ซึ่งจะปรากฏเป็นกระแสต่อท้ายจากภายนอก
ณ จุดนี้ คุณจะเข้าใจได้ว่าอัตราการหยดกระแสของตัวรวบรวม IGBT สามารถควบคุมโดยเกตได้หรือไม่ ขึ้นอยู่กับว่ากระแสอิเล็กตรอนที่ฉีดโดยช่อง MOS ยังคงมีบทบาทในขั้นตอนการลดกระแส IGBT หรือไม่ ที่นี่เราสามารถใช้สูตรเพื่ออธิบายอัตราการลดลงการปิด IGBT:
จากสูตรพบว่า In1 ต้องมีสิทธิ์พูดได้ไม่ยากเพื่อควบคุมความชันที่ตกของกระแสสะสมเมื่อปิดเครื่อง เราจะเพิ่มสัดส่วนกระแสอิเล็กตรอนของช่อง MOS ได้อย่างไร?
มีสองวิธี วิธีหนึ่งคือลดความเร็วในการปิด IGBT และอีกวิธีหนึ่งคือฉีดกระแสอิเล็กตรอนเข้าไปในเกต ในปัจจุบัน ทั้งสองวิธีมีการประยุกต์ใช้งานที่ดีในไดรฟ์เกต IGBT วิธีชะลอความเร็วการปิดระบบมีอะไรบ้าง? แน่นอนว่าเป็นไปได้ที่จะเพิ่มความต้านทาน แต่ความล่าช้าหรือการสูญเสียในการปิดเครื่องนั้นมีมากซึ่งไม่คุ้มกับการสูญเสีย อีกวิธีหนึ่งคือการใช้เทคโนโลยีไดรฟ์แบบแอคทีฟ และดำเนินมาตรการเพื่อชะลอความเร็วในการปิด IGBT เฉพาะเมื่อกระแสของ IGBT ลดลงเท่านั้น วิธีนี้สามารถประนีประนอมระหว่างความล่าช้าในการสลับ แรงดันไฟเกิน และการสูญเสียได้อย่างดี ไดรเวอร์ดิจิทัล Feishide ในประเทศมีฟังก์ชันนี้ ดังนั้นผู้ที่สนใจสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับมันได้ (ไม่ใช่การโฆษณาที่นี่ แต่เป็นการแลกเปลี่ยนทางเทคนิคล้วนๆ)! แล้วจะฉีดกระแสเข้าเกทได้อย่างไร? นี่คือสิ่งที่เรามักเรียกว่าเทคโนโลยีการจับยึดแบบแอคทีฟแรงดันไฟฟ้าแบบสะสม
ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: บทความนี้ทำซ้ำจาก "สำนักข่าวกรองเซมิคอนดักเตอร์ยานยนต์" บทความนี้นำเสนอเฉพาะมุมมองส่วนตัวของผู้เขียน และไม่ได้เป็นตัวแทนมุมมองของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม มีไว้สำหรับการพิมพ์ซ้ำและแบ่งปันเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาเท่านั้น โปรดระบุแหล่งที่มาต้นฉบับและผู้แต่งเมื่อพิมพ์ซ้ำ หากมีการละเมิดใด ๆ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก
โทรศัพท์บริษัท: +86-0755-83044319
แฟกซ์/แฟกซ์:+86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่
QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว
ที่อยู่: ห้อง 809 บล็อก C อาคารเทคโนโลยี Zhantao เลขที่ 1079 Minzhi Avenue เขตหลงหัวใหม่ เซินเจิ้น
คำแนะนำที่เกี่ยวข้อง
粤公网安备44030002007346号