servis Hattı
köşe yazarı
köşe yazarı
IGBT devir süreci nedir? (Ders 1)
2022-03-17
1493
Güç elektroniğiyle ilgilenenler IGBT'ye aşina olabilir. Tam adı Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör olan IGBT, MOS (Yalıtılmış Kapı Alan Etkili Transistör) ve BJT'den (Bipolar Transistör) oluşan kompozit, tam kontrollü bir güç yarı iletken cihazıdır. Genellikle güç elektroniği cihazlarının "CPU'su" olarak bilinir. On volttan yüksek bir kapı kontrol sinyali aracılığıyla, kV voltajının ve kA akımının kontrolünü gerçekleştirebilir. Ulusal stratejik gelişen bir endüstri olarak demiryolu taşımacılığı, akıllı şebeke, endüstriyel enerji tasarrufu, elektrikli araçlar ve yeni enerji ekipmanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.Peki IGBT'yi gerçekten biliyor musunuz? Bugün, IGBT'nin kapanma sürecini ele alalım. Başlamadan önce bir soru soralım. Düşünebilirsiniz. Şekil 1, IGBT'nin kapanma kapısı direnci ile voltaj yükselmesi arasındaki ilişkiyi göstermektedir:
Şekil 1. IGBT kapatma aşırı gerilimi ile kapı direnci arasındaki ilişki [1]IGBT'nin gate off direnci arttırıldığında voltaj yükselmesi artar mı? Bu nasıl bir hayalet? Düşündüğümüzden farklı mı?IGBT'nin kapanma direnci ile kapanma kaybı arasındaki ilişkiye bakalım. Şekil 2'den görülebileceği gibi, IGBT'nin kapanma direncinin kapanma kaybı üzerinde çok az etkisi vardır.
Yukarıdaki iki resimden, IGBT'nin kapanma özelliklerini kapı direnci üzerinden etkilemenin ideal olmadığı anlaşılıyor. Ancak durum böyle, peki bir çözüm yok mu? Bir takım yöntemler olmalı, önce hapsedilen evladı sat, sonra konuşuruz!Bugün kısaca IGBT'nin kapanma sürecinden bahsedelim ve yukarıdaki olayın nedenlerini kökünden inceleyelim.IGBT'nin kapanma sürecini anlamak için IGBT'nin çalışma prensibine kısaca göz atmak gerekir. Daha önce de belirtildiği gibi, IGBT, MOS ve BJT'den oluşan bir güç aygıtıdır. Şekil 1, NPT IGBT'nin iç yapısını ve eşdeğer devresini göstermektedir. Hepimiz IGBT'nin iki kutuplu bir cihaz olduğunu, yani hem elektronların hem de boşlukların iletime katıldığını biliyoruz. MOS üzerinden akan elektron akımının in ve pnp transistör üzerinden akan hol akımının Ip olduğu varsayıldığında, IGBT üzerinden akan kollektör akımı in+IP olur.
Transistörün çalışma prensibine göre, kolektör akımı Ip ile PNP transistöründeki baz akımı arasında aşağıdaki ilişki vardır:
βpnp, transistörün ortak emitör akım amplifikasyon faktörüdür ve αpnp, transistörün ortak baz akım amplifikasyon faktörüdür. IGBT'nin kollektör tarafındaki PNP transistörün yapı olarak sadece PNP transistöre eşdeğer olduğu, performans olarak ise akım yükseltme için kullanılan transistörden oldukça uzak olduğu belirtilmelidir [3]. Gerçek transistör akımı, yani Ip>>In'i yükseltebilirken, IGBT için elektron akımı In temelde delik akımı Ip'ye eşittir.Transistörlerden bahsettikten sonra MOS'tan bahsedelim. MOS'un voltaj kontrollü bir cihaz olduğunu hepimiz biliyoruz. MOS'un kanal akımı In, anahtarlama işlemindeki kapı voltajı ile aşağıdaki ilişkiye sahiptir:
Bu formülde Kp, cihazın yapısına ve taşıyıcı özelliklerine ilişkin katsayı, Vge,th ise eşik gerilimleridir.Bu noktada, IGBT'nin kapı voltajını kontrol ettiğimiz şeyin aslında elektron akımı In'den doğrudan etkilenen dahili MOS olduğu, delik akımı Ip'nin ise kapı voltajı Vge ile doğrudan ilişkili olmadığı herkes için biraz açık olabilir.Konumuza dönecek olursak, IGBT'nin kapanma sürecine bir göz atalım. Genellikle, IGBT'nin kapanma süreci, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, dış özelliklerine göre beş aşamaya ayrılabilir:
4. IGBT teknolojisi
Aşama 1 (t0-t1): Kapı kapasitörü deşarj olur ve kapı voltajı Maitreya platform voltajı Vgep'e üssel olarak düşer. Aşama 2 (t1-t2): Maitreya platform aşamasında, kapı voltajı temelde değişmez ve Vgep voltajı yük akımına bağlıdır. Kapı akımı Maitreya kapasitörünü şarj eder ve kollektör voltajı hafifçe yükselir. Aşama 3 (t2-t3): Kollektör voltajının yükseldiği aşamada, IGBT'nin kollektör voltajı Vce hızla bara voltajına yükselir. Aynı anda, kapı voltajı Maitreya platform voltajı Vgep'ten eşik voltajı Vge,th'ye düşer ve kapı tamamen kapanır. Aşama 4 (t3-t4): Kollektör akımının azaldığı aşamada, IGBT'nin kollektör voltajı bara voltajı Vdc'ye yükselir ve IGBT'ye karşılık gelen diyot ileri iletim aşamasına girer ve yük akımı hızla IGBT'den diyota aktarılır. Ic akımı hızla takip akımına düşer ve kollektör voltajı, kaçak endüktansın varlığı nedeniyle belirli bir voltaj aşımına uğrar. Aşama 5(t4-t5): Takip akımı süreci, bu aşamadaki akımın düşüş hızı esas olarak cihazın taşıyıcı ömrü tarafından belirlenir. Bazıları, akım düşmeye başladığında kapının neden kapatıldığını sorabilir. Birçok makale, IGBT'nin kollektör akımı 0'a düştüğünde kapının kapanacağını göstermektedir. Bu rakamlar, IGBT'nin anahtarlama karakteristiklerini basitçe anlamakta hiçbir sorun teşkil etmez. Kesin konuşmak gerekirse, bazı sorunlar var, ancak çok fazla karışmayalım. Aslında, IGBT'nin kapısı kapalıyken test etmemiz zor, çünkü sonuçta yarı iletkenleri incelemiyoruz ve pek çok parametreyi bilmiyoruz! Aşağıda, IGBT'nin kapanma süreci iç mekanizma düzeyinde açıklanmaktadır: İlk olarak, IGBT kapanmadan önce iç taşıyıcıların dağılımına bakın. Şekil 5, Şekil 0'teki t4'dan önce IGBT'deki dahili taşıyıcıların dağılımına, yani açık duruma karşılık gelir. Burada, esas olarak N-baz bölgesindeki taşıyıcı dağılımını ele alacağız, çünkü IGBT'nin anahtarlama özellikleri esas olarak N-baz bölgesindeki taşıyıcılardan etkilenir. Açık durumda, N-baz bölgesi elektron ve boşluklarla doludur, bu nedenle bu bölgeye Taşıyıcı Depolama Bölgesi (CSR) veya Plazma da denebilir. Açık durumdaki süreç sırasında, IGBT'nin baz bölgesindeki elektron akımı ve boşluk akımı yaklaşık 3: 1'dir; bunun temel nedeni, aynı koşullar altında elektronların hareketliliğinin boşlukların hareketliliğinin üç katı olmasıdır [4].
IGBT'nin kapısına sıfır veya negatif bir bias gerilimi uygulandığında cihaz kapanma sürecine girer. Öncelikle, kapı geriliminin azalmasıyla, MOS kanalı üzerinden N+ kaynak bölgesinden N- baz bölgesine enjekte edilen elektron akımı giderek azalırken, yük endüktansının etkisi altında dış kollektör akımı değişmeden kaldığından, IGBT modülü içindeki elektron akımı ve delik akımı orijinal denge durumlarından sapacaktır. Şekil 3, bu aşamada IGBT'nin N-baz bölgesindeki taşıyıcıların değişimini göstermektedir, bu, şekil 0'teki t3-t4'teki taşıyıcı dağılımına karşılık gelmektedir, burada N-baz bölgesinin sol tarafındaki CSR bölgesinde hala çok sayıda elektron ve delik çifti bulunmaktadır. N-baz bölgesinin sağ tarafında, artık taşıyıcı içermeyen ve tükenme katmanı olarak da adlandırılabilen bir Uzay Yük Bölgesi (SCR) bulunur. IGBT'nin kapanması sırasında bu bölge voltaj taşır ve SCR bölgesindeki elektron akımı kademeli olarak azalırken, boşluk akımı kademeli olarak artar.
IGBT'nin kapı gerilimi eşik gerilimi Vgeth'e düşmeye devam ettiğinde, dahili MOS iletim kanalı tamamen kapanır ve In1 0 olur, bu da PNP transistörün baz akımını keser. PNP transistörün emitörü artık N-baz bölgesine delikler enjekte etmeyecektir. Şekil 7, IGBT'nin kapalı karakteristiğinin t3'üne karşılık gelmektedir. Bu anda, uzay yükü bölgesindeki elektron akımı sıfırdır ve yük akımı tamamen delik akımı Ip1 tarafından korunurken, CSR bölgesindeki elektronlar ve delikler hala mevcuttur.
IGBT'nin kollektör gerilimi Vce bara gerilimine yükseldiğinde kollektör akımı hızla düşer ve IC'nin düşme hızı artık kapı tarafından kontrol edilmeyecek olan cihazın kendi karakteristikleri tarafından belirlenir. Şekil 8, Şekil 3'deki t4-t4'e karşılık gelir. XNUMX. Bu aşamanın tamamlanmasından sonra, CSR alanında hala birkaç taşıyıcı kalmıştır ve kalan taşıyıcıların ortadan kaldırılması esas olarak, dışarıdan takip eden akım olarak görünen rekombinasyon oranları tarafından belirlenmektedir.
Bu noktada, IGBT kollektörünün akım düşüş hızının kapı tarafından kontrol edilip edilemeyeceğinin, MOS kanalı tarafından enjekte edilen elektron akımının IGBT akım düşüş aşamasında hala rol oynayıp oynamadığına bağlı olduğunu anlayabilirsiniz. Burada IGBT'nin kapanma düşüş oranını tanımlamak için formülü kullanabiliriz:
In1'in kapatıldığında kolektör akımının düşen eğimini kontrol etmek için belirli bir konuşma hakkına sahip olması gerektiğini formülden öğrenmek zor değil. MOS kanalı elektron akımının oranını nasıl artırabiliriz?
İki yöntem var, birincisi IGBT'nin kapanma hızını yavaşlatmak, diğeri ise kapıya elektron akımı enjekte etmek. Günümüzde her iki yöntemin de IGBT kapı sürücülerinde iyi uygulamaları bulunmaktadır. Kapanma hızını yavaşlatmanın yolları nelerdir? Elbette direnci artırmak mümkündür, ancak kapanma gecikmesi veya kaybı çok büyüktür, bu da kayba değmez; Diğer yöntem ise aktif sürücü teknolojisini kullanmak ve IGBT'nin kapanma hızını yalnızca IGBT akımı düştüğünde yavaşlatmak için önlemler almaktır. Bu yöntem, anahtarlama gecikmesi, aşırı gerilim ve kayıp arasında iyi bir denge sağlayabilir. Yerli Feishide dijital sürücüsünün bu işlevi vardır, böylece ilgilenenler bu konuda bilgi edinebilir (burada reklam değil, tamamen teknik alışveriştir)! O halde kapıya akım nasıl enjekte edilir? Bu genellikle kolektör voltajı aktif kenetleme teknolojisi dediğimiz şeydir.
Şekil 1. IGBT kapatma aşırı gerilimi ile kapı direnci arasındaki ilişki [1]IGBT'nin gate off direnci arttırıldığında voltaj yükselmesi artar mı? Bu nasıl bir hayalet? Düşündüğümüzden farklı mı?IGBT'nin kapanma direnci ile kapanma kaybı arasındaki ilişkiye bakalım. Şekil 2'den görülebileceği gibi, IGBT'nin kapanma direncinin kapanma kaybı üzerinde çok az etkisi vardır.
Yukarıdaki iki resimden, IGBT'nin kapanma özelliklerini kapı direnci üzerinden etkilemenin ideal olmadığı anlaşılıyor. Ancak durum böyle, peki bir çözüm yok mu? Bir takım yöntemler olmalı, önce hapsedilen evladı sat, sonra konuşuruz!Bugün kısaca IGBT'nin kapanma sürecinden bahsedelim ve yukarıdaki olayın nedenlerini kökünden inceleyelim.IGBT'nin kapanma sürecini anlamak için IGBT'nin çalışma prensibine kısaca göz atmak gerekir. Daha önce de belirtildiği gibi, IGBT, MOS ve BJT'den oluşan bir güç aygıtıdır. Şekil 1, NPT IGBT'nin iç yapısını ve eşdeğer devresini göstermektedir. Hepimiz IGBT'nin iki kutuplu bir cihaz olduğunu, yani hem elektronların hem de boşlukların iletime katıldığını biliyoruz. MOS üzerinden akan elektron akımının in ve pnp transistör üzerinden akan hol akımının Ip olduğu varsayıldığında, IGBT üzerinden akan kollektör akımı in+IP olur.
Transistörün çalışma prensibine göre, kolektör akımı Ip ile PNP transistöründeki baz akımı arasında aşağıdaki ilişki vardır:
βpnp, transistörün ortak emitör akım amplifikasyon faktörüdür ve αpnp, transistörün ortak baz akım amplifikasyon faktörüdür. IGBT'nin kollektör tarafındaki PNP transistörün yapı olarak sadece PNP transistöre eşdeğer olduğu, performans olarak ise akım yükseltme için kullanılan transistörden oldukça uzak olduğu belirtilmelidir [3]. Gerçek transistör akımı, yani Ip>>In'i yükseltebilirken, IGBT için elektron akımı In temelde delik akımı Ip'ye eşittir.Transistörlerden bahsettikten sonra MOS'tan bahsedelim. MOS'un voltaj kontrollü bir cihaz olduğunu hepimiz biliyoruz. MOS'un kanal akımı In, anahtarlama işlemindeki kapı voltajı ile aşağıdaki ilişkiye sahiptir:
Bu formülde Kp, cihazın yapısına ve taşıyıcı özelliklerine ilişkin katsayı, Vge,th ise eşik gerilimleridir.Bu noktada, IGBT'nin kapı voltajını kontrol ettiğimiz şeyin aslında elektron akımı In'den doğrudan etkilenen dahili MOS olduğu, delik akımı Ip'nin ise kapı voltajı Vge ile doğrudan ilişkili olmadığı herkes için biraz açık olabilir.Konumuza dönecek olursak, IGBT'nin kapanma sürecine bir göz atalım. Genellikle, IGBT'nin kapanma süreci, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, dış özelliklerine göre beş aşamaya ayrılabilir:
4. IGBT teknolojisiAşama 1 (t0-t1): Kapı kapasitörü deşarj olur ve kapı voltajı Maitreya platform voltajı Vgep'e üssel olarak düşer. Aşama 2 (t1-t2): Maitreya platform aşamasında, kapı voltajı temelde değişmez ve Vgep voltajı yük akımına bağlıdır. Kapı akımı Maitreya kapasitörünü şarj eder ve kollektör voltajı hafifçe yükselir. Aşama 3 (t2-t3): Kollektör voltajının yükseldiği aşamada, IGBT'nin kollektör voltajı Vce hızla bara voltajına yükselir. Aynı anda, kapı voltajı Maitreya platform voltajı Vgep'ten eşik voltajı Vge,th'ye düşer ve kapı tamamen kapanır. Aşama 4 (t3-t4): Kollektör akımının azaldığı aşamada, IGBT'nin kollektör voltajı bara voltajı Vdc'ye yükselir ve IGBT'ye karşılık gelen diyot ileri iletim aşamasına girer ve yük akımı hızla IGBT'den diyota aktarılır. Ic akımı hızla takip akımına düşer ve kollektör voltajı, kaçak endüktansın varlığı nedeniyle belirli bir voltaj aşımına uğrar. Aşama 5(t4-t5): Takip akımı süreci, bu aşamadaki akımın düşüş hızı esas olarak cihazın taşıyıcı ömrü tarafından belirlenir. Bazıları, akım düşmeye başladığında kapının neden kapatıldığını sorabilir. Birçok makale, IGBT'nin kollektör akımı 0'a düştüğünde kapının kapanacağını göstermektedir. Bu rakamlar, IGBT'nin anahtarlama karakteristiklerini basitçe anlamakta hiçbir sorun teşkil etmez. Kesin konuşmak gerekirse, bazı sorunlar var, ancak çok fazla karışmayalım. Aslında, IGBT'nin kapısı kapalıyken test etmemiz zor, çünkü sonuçta yarı iletkenleri incelemiyoruz ve pek çok parametreyi bilmiyoruz! Aşağıda, IGBT'nin kapanma süreci iç mekanizma düzeyinde açıklanmaktadır: İlk olarak, IGBT kapanmadan önce iç taşıyıcıların dağılımına bakın. Şekil 5, Şekil 0'teki t4'dan önce IGBT'deki dahili taşıyıcıların dağılımına, yani açık duruma karşılık gelir. Burada, esas olarak N-baz bölgesindeki taşıyıcı dağılımını ele alacağız, çünkü IGBT'nin anahtarlama özellikleri esas olarak N-baz bölgesindeki taşıyıcılardan etkilenir. Açık durumda, N-baz bölgesi elektron ve boşluklarla doludur, bu nedenle bu bölgeye Taşıyıcı Depolama Bölgesi (CSR) veya Plazma da denebilir. Açık durumdaki süreç sırasında, IGBT'nin baz bölgesindeki elektron akımı ve boşluk akımı yaklaşık 3: 1'dir; bunun temel nedeni, aynı koşullar altında elektronların hareketliliğinin boşlukların hareketliliğinin üç katı olmasıdır [4].
IGBT'nin kapısına sıfır veya negatif bir bias gerilimi uygulandığında cihaz kapanma sürecine girer. Öncelikle, kapı geriliminin azalmasıyla, MOS kanalı üzerinden N+ kaynak bölgesinden N- baz bölgesine enjekte edilen elektron akımı giderek azalırken, yük endüktansının etkisi altında dış kollektör akımı değişmeden kaldığından, IGBT modülü içindeki elektron akımı ve delik akımı orijinal denge durumlarından sapacaktır. Şekil 3, bu aşamada IGBT'nin N-baz bölgesindeki taşıyıcıların değişimini göstermektedir, bu, şekil 0'teki t3-t4'teki taşıyıcı dağılımına karşılık gelmektedir, burada N-baz bölgesinin sol tarafındaki CSR bölgesinde hala çok sayıda elektron ve delik çifti bulunmaktadır. N-baz bölgesinin sağ tarafında, artık taşıyıcı içermeyen ve tükenme katmanı olarak da adlandırılabilen bir Uzay Yük Bölgesi (SCR) bulunur. IGBT'nin kapanması sırasında bu bölge voltaj taşır ve SCR bölgesindeki elektron akımı kademeli olarak azalırken, boşluk akımı kademeli olarak artar.
IGBT'nin kapı gerilimi eşik gerilimi Vgeth'e düşmeye devam ettiğinde, dahili MOS iletim kanalı tamamen kapanır ve In1 0 olur, bu da PNP transistörün baz akımını keser. PNP transistörün emitörü artık N-baz bölgesine delikler enjekte etmeyecektir. Şekil 7, IGBT'nin kapalı karakteristiğinin t3'üne karşılık gelmektedir. Bu anda, uzay yükü bölgesindeki elektron akımı sıfırdır ve yük akımı tamamen delik akımı Ip1 tarafından korunurken, CSR bölgesindeki elektronlar ve delikler hala mevcuttur.
IGBT'nin kollektör gerilimi Vce bara gerilimine yükseldiğinde kollektör akımı hızla düşer ve IC'nin düşme hızı artık kapı tarafından kontrol edilmeyecek olan cihazın kendi karakteristikleri tarafından belirlenir. Şekil 8, Şekil 3'deki t4-t4'e karşılık gelir. XNUMX. Bu aşamanın tamamlanmasından sonra, CSR alanında hala birkaç taşıyıcı kalmıştır ve kalan taşıyıcıların ortadan kaldırılması esas olarak, dışarıdan takip eden akım olarak görünen rekombinasyon oranları tarafından belirlenmektedir.
Bu noktada, IGBT kollektörünün akım düşüş hızının kapı tarafından kontrol edilip edilemeyeceğinin, MOS kanalı tarafından enjekte edilen elektron akımının IGBT akım düşüş aşamasında hala rol oynayıp oynamadığına bağlı olduğunu anlayabilirsiniz. Burada IGBT'nin kapanma düşüş oranını tanımlamak için formülü kullanabiliriz:
In1'in kapatıldığında kolektör akımının düşen eğimini kontrol etmek için belirli bir konuşma hakkına sahip olması gerektiğini formülden öğrenmek zor değil. MOS kanalı elektron akımının oranını nasıl artırabiliriz?
İki yöntem var, birincisi IGBT'nin kapanma hızını yavaşlatmak, diğeri ise kapıya elektron akımı enjekte etmek. Günümüzde her iki yöntemin de IGBT kapı sürücülerinde iyi uygulamaları bulunmaktadır. Kapanma hızını yavaşlatmanın yolları nelerdir? Elbette direnci artırmak mümkündür, ancak kapanma gecikmesi veya kaybı çok büyüktür, bu da kayba değmez; Diğer yöntem ise aktif sürücü teknolojisini kullanmak ve IGBT'nin kapanma hızını yalnızca IGBT akımı düştüğünde yavaşlatmak için önlemler almaktır. Bu yöntem, anahtarlama gecikmesi, aşırı gerilim ve kayıp arasında iyi bir denge sağlayabilir. Yerli Feishide dijital sürücüsünün bu işlevi vardır, böylece ilgilenenler bu konuda bilgi edinebilir (burada reklam değil, tamamen teknik alışveriştir)! O halde kapıya akım nasıl enjekte edilir? Bu genellikle kolektör voltajı aktif kenetleme teknolojisi dediğimiz şeydir.
Yasal Uyarı: Bu makale "Otomotiv Yarı İletken İstihbarat Bürosu"ndan alınmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil eder ve Sacco Micro ve sektörün görüşlerini temsil etmez. Fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla yalnızca yeniden basılması ve paylaşılması içindir. Lütfen yeniden basarken orijinal kaynağı ve yazarını belirtin. Herhangi bir ihlal varsa, silmek için lütfen bizimle iletişime geçin.
Şirket Tel: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Yönetici Li
QQ: 332496225 Yönetici Qiu
Adres: Oda 809, Blok C, Zhantao Teknoloji Binası, No.1079 Minzhi Bulvarı, Longhua Yeni Bölgesi, Shenzhen
İlgili Öneriler
粤公网安备44030002007346号