الحديث عن تطبيق وتطوير تكنولوجيا IGBT للسيارات الكهربائية

  ظهرت أجهزة الطاقة في منتصف القرن العشرين. وبعد ما يقرب من 20 عامًا من التطوير، أدى دمج تقنيتي MOS وBJT إلى ظهور تقنية IGBT. بعد التحديث المستمر، تم استخدام IGBT على نطاق واسع في المركبات، واللحام، والفضاء، وغيرها من المجالات. تقدم هذه الورقة مقدمة عن هيكل ومبدأ عمل IGBT، وتشرح تطبيقه في مجال المركبات الكهربائية، وهو ما يساعد الممارسين على فهم مبدأ IGBT وتطوره التقني بشكل كامل في مجال المركبات الكهربائية.ومع تفاقم ظاهرة الاحتباس الحراري والتدهور البيئي، من أجل تخفيف الضغط على الحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات، وضعت الصين هدفا ساميا. ومن أجل تحقيق هدف توفير الطاقة وخفض الانبعاثات، تدعم الصين بقوة تطوير مركبات الطاقة الجديدة. يمكن لعاكس الجر لوحدة تحويل الطاقة الأساسية لمجموعة نقل الحركة في السيارة الكهربائية تحويل خرج التيار المستمر من البطارية إلى تيار متردد ثلاثي الطور. يؤدي التوقف المتكرر للمركبة إلى تحمل أجهزة أشباه موصلات الطاقة الموجودة في العاكس قوى تصادم مختلفة. ترتبط كثافة طاقة العاكس ارتباطًا وثيقًا بإخراج الطاقة للسيارة الكهربائية. تشتمل أجهزة أشباه الموصلات للطاقة في وحدات الطاقة للسيارات بشكل أساسي على ترانزستورات تأثير المجال شبه الموصلة لأكسيد المعادن القائمة على كربيد السيليكون والترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT).

ينتمي IGBT إلى جهاز أشباه الموصلات للطاقة المتحكم فيه بالكامل، والذي يتكون من ترانزستور ثنائي القطب وترانزستور تأثير المجال البوابة المعزولة، وله مزايا معاوقة الإدخال العالية وانخفاض جهد التوصيل. جهد تشبع الترانزستور العملاق منخفض، وكثافة التيار عالية، ولكن تيار العمل مرتفع. يتمتع الترانزستور المعدني نصف التأثير بقدرة عمل منخفضة وسرعة تحويل سريعة، ولكنه يتميز بانخفاض كبير في جهد التحويل وكثافة حمل تيار منخفضة. يتميز IGBT باستهلاك منخفض للطاقة بعد التشغيل، مما يُمثل موصلًا، ومقاومته عالية عند فصله، مما يُمثل دائرة مفتوحة. يتميز بثلاث خصائص: الجهد العالي، والتيار العالي، والسرعة العالية، وقوة التشغيل المنخفضة، وجهد التشبع المنخفض، وهو مناسب لأنظمة المحولات بجهد تيار مستمر يبلغ 600 فولت فأكثر. نظراً لمتطلبات المركبات الكهربائية العالية من حيث مقاومة الجهد، ومقاومة درجات الحرارة العالية، وتبديد الحرارة، واستقرار أجهزة الطاقة، فإن ترانزستور IGBT يتميز بأداء شامل أفضل من ترانزستورات MOSFET. لذلك، أصبح IGBT حالياً جهاز الطاقة الرئيسي في عاكسات المركبات الكهربائية، ويتمتع بإمكانيات تطوير هائلة. يحتوي IGBT على شبكة G، ومجمع C، وباعث E، وهو جهاز ذو ثلاثة أطراف. يحتوي IGBT على طبقتين من مناطق زراعة P+، والتي تشكل تقاطع PN أكبر J1. عند توصيل IGBT بالدائرة، تُصدر بعض الموجات الحاملة من منطقة الحقن P+ إلى منطقة القاعدة N، مما يُضبط توصيلية منطقة الانجراف. وبالتالي، يتمتع IGBT بسعة تيار عالية. المنطقة العازلة عبارة عن طبقة N+ بين منطقة زرع P+ ومنطقة N-drift. يظهر وجود IGBT في المخزن المؤقت أم لا خصائص مختلفة. يُطلق على IGBT مع عازل N + اسم IGBT غير المتماثل (يُسمى أيضًا IGBT المثقب)، والذي يتميز بمزايا انخفاض الجهد الأمامي الصغير ووقت إيقاف تشغيل الكلب القصير والتيار الذيلي الصغير عند إيقاف التشغيل، ولكن قدرته على الحجب العكسي ضعيفة نسبيًا. يُطلق على IGBT بدون N- buffer اسم IGBT متماثل (يُسمى أيضًا IGBT غير المثقوب)، والذي يتمتع بقدرة حجب قوية في الاتجاهين الأمامي والخلفي، وخصائصه الأخرى أسوأ من خصائص IGBT المثقوب.

  دائرة قيادة IGBT   دائرة تشغيل IGBT عبارة عن هيكل دارلينجتون مكون من GTR و MOSFET، ويتم تشغيله وإيقافه عن طريق التحكم في الجهد الموجب والسالب للبوابة. عندما يكون جهد البوابة موجبًا، يكون ترانزستور دارلينجتون المكون من GTR و MOSFET في حالة توصيل؛ وعندما يكون جهد البوابة سالبًا، يكون ترانزستور دارلينجتون المكون من GTR و MOSFET في حالة إيقاف، أي أنه لا يعمل. يوضح الشكل 2 مخطط الدائرة المكافئة لدائرة تشغيل IGBT. يمكن لهذه الدائرة تضخيم طاقة خرج النبضة للحاسوب الدقيق أحادي الشريحة لتشغيل أجهزة طاقة IGBT بشكل غير مباشر. يشبه منحنى خصائص الفولت-أمبير منحنى ترانزستور العملاق ثنائي القطب IGBT. عندما يزداد جهد التحكم UGE، يتحرك المنحنى المميز لأعلى. يمكن لتغيير مستوى UGE التحكم في حالة IGBT (حالة إيقاف التشغيل، حالة التشبع)، لذلك غالبًا ما يُستخدم في تبديل مصدر الطاقة.  

مبدأ عمل IGBT   يمكن اعتبار ترانزستور IGBT ترانزستور PNP (يُدار بواسطة MOSFET). بالمقارنة مع ترانزستور PNP الشائع، فإن منطقة قاعدته أكثر سمكًا. يظهر الشكل 1(ب) الدائرة المكافئة. في الشكل، RN هي مقاومة التعديل في منطقة قاعدة ترانزستور PNP، وMOSFET هو ترانزستور تأثير مجال ذي قناة N. يُطلق على ترانزستور IGBT بهذا الهيكل اسم IIGBT ذي القناة N، ورمزه هو N-IGBT. وبالمثل، يوجد ترانزستور IGBT ذي القناة P، وهو P-IGBT. يظهر الرمز البياني الكهربائي لـ IGBT في الشكل 1(ج). IGBT هو جهاز تحكم في المجال، ويتم تحديد تشغيله وإيقافه بواسطة جهد UCE بين البوابة والباعث. إذا كان جهد التشغيل UCE(th) أقل من جهد البوابة-الباعث UCE وكان جهد البوابة موجبًا، يستقبل ترانزستور PNP التيار في القناة الداخلية لترانزستور MOSFET، ويتم تشغيل IGBT. في هذه الحالة، تُعدّل الموجات الحاملة الداخلة إلى المنطقة N- من المنطقة P+ موصلية المنطقة N-، وتنخفض المقاومة RN(المنطقة N-) تدريجيًا، ويحصل IGBT على انخفاض جهد أقل في حالة التشغيل. إذا كان جهد البوابة-الباعث UCE مساويًا للصفر أو الجهد العكسي، فلن تتشكل قناة في MOSFET، ولن يدخل أي حامل إلى المنطقة N- من المنطقة P+ لتعديل موصلية المنطقة N-، ولن يكون هناك تيار قاعدة في الترانزستور، وبالتالي سينطفئ IGBT عند توقفه عن العمل. مبدأ تشغيل IGBT هو كما يلي: عندما تكون قيمة UCE سالبة: تكون الوصلة J3 في حالة انحياز عكسي ويكون الجهاز في حالة حجب عكسي. عندما يكون UCE موجبًا: UC < UTH، لا يمكن تكوين القناة، والجهاز في حالة حجب أمامية؛ UG> UTH، يتم تكوين قناة N تحت البوابة المعزولة، وبسبب تفاعل الناقلات، يتم إنشاء تعديل التوصيل في منطقة N، مما يجعل الجهاز يوصل إلى الأمام.   1. الانهيار  
الفرق بين بنية رقاقة السيليكون و MOSFET الطاقة هو أن IGBT يحتوي على ركيزة P+ أكثر وطبقة عازلة N+ من MOSFET الطاقة (IGBT ليس لديه بنية غير مثقوبة NPT)، ويتم إنشاء تقاطع J1 بين منطقة P_ ومنطقة N+ لجسم الأنبوب باستخدام الركيزة. إذا عكس انحياز البوابة الموجب منطقة القاعدة P أسفل البوابة، فستتشكل قناة N داخل IGBT. في هذه الحالة، سيتدفق إلكترونات ويتشكل تيار في القناة. عندما يكون جهد تيار الإلكترون المُشكَّل ضمن نطاق 0.7 فولت، يكون J1 المُنشأ في المنطقة P_ والمنطقة N+ في حالة انحياز أمامي، وتدخل بعض الثقوب في المنطقة N-، مما يُغيّر المقاومة بين المنطقتين N- وN+. تُقلّل طريقة التعديل هذه من استهلاك الطاقة في توصيل IGBT وتُشغّل تدفق الشحنة الثانية. يظهر مؤقتًا في أشباه الموصلات نوعان مختلفان من التيار، تيار إلكترون MOSFET وتيار ثقب (ثنائي القطب).  
2. انخفاض جهد التوصيل  
يمكن لتأثير تعديل التوصيل أن يقلل من قيمة المقاومة RN والجهد الموجود على الحالة. يشير ما يسمى بانخفاض الجهد في حالة التشغيل إلى انخفاض جهد الأنبوب UDS عندما يدخل IGBT في حالة التشغيل، وينخفض هذا الجهد مع ارتفاع UCS.  
3. اغلق  
عندما يتم تطبيق جهد انحياز سلبي على البوابة أو عندما يكون جهد البوابة أقل من قيمة العتبة، لن يتم تشكيل أي قناة ولن تدخل أي ثقوب إلى المنطقة N. في جميع الحالات، إذا انخفض تيار MOSFET بسرعة كبيرة في مرحلة التبديل، سينخفض تيار المجمع. في هذه المرحلة، وبعد بدء التبديل، تبقى بعض الموجات الحاملة في المنطقة N. سوف تؤثر كثافة الشحن عند إيقاف التشغيل بشكل مباشر على تقليل القيمة الحالية المتبقية. ترتبط كثافة الشحنة بعدد الشوائب وطوبولوجيتها، وسمك الطبقات ودرجة حرارتها، وما إلى ذلك. ولذلك، فإن تقليل قيمة التيار المتبقي (اليقظة) يتأثر بعوامل كثيرة وغير مؤكدة. يتأثر تيار المجمع بانحلال بعض الموجات الحاملة المتبقية في المنطقة N، ويظهر شكل موجة الاستيقاظ المميزة. سوف يسبب استيقاظ المجمع المميز مشاكل مثل ارتفاع استهلاك الطاقة والتوصيل المضطرب. سيكون هذا النوع من المشاكل أكثر وضوحًا في معدات الصمام الثنائي الحر. نظرًا لأن التيار المتبقي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بإعادة تركيب حاملات الأقلية، فإن القيمة الحالية للتيار المتبقي يجب أن يكون لها علاقة مهمة مع Tc وIC وUCE وتنقل فتحة الشريحة.
4. الحظر العكسي 
إذا حصل المجمع على جهد عكسي، فإن الوصلة J لمنطقة P_ ومنطقة N+ سوف تتأثر بجهد التحيز العكسي. في الوقت نفسه، سيتم فقدان قدرة الحجب لأن سمك الطبقة يتناقص كثيرًا، وسوف تمتد الطبقة المستنفدة إلى المنطقة N. بالإضافة إلى ذلك، إذا زاد حجم المنطقة عن قيمة معينة، فإن انخفاض الجهد سيزداد بشكل مستمر. 
5. حظر إلى الأمام  
إذا حصل طرف المجمع على جهد موجب وتم قصر البوابة والباعث، يتم التحكم في الوصلة J بين المنطقة P_ والمنطقة N+ عن طريق الجهد العكسي.  
6. بقفل  
الثايرستور PNPN طفيلي بين المجمع والباعث لـ ICBT. تسمى ظاهرة توصيل الثايرستور بـ IGBT latch-up. في ظل ظروف معينة، سوف يقوم الثايرستور PNPN بالتوصيل، وسوف يزداد التيار بين المجمع والباعث، وسوف تنخفض القدرة على التحكم في MOSFET المكافئ، مما يؤدي غالبًا إلى تعطل الجهاز.   وتاريخ تطور شرائح IGBT في المركبات الكهربائية.   إذا نظرنا إلى الوراء في تطور أجهزة الطاقة في العقود الماضية، في الستينيات، كانت الأجهزة ثنائية القطب تتمتع بمقاومة صغيرة على الحالة، ودائرة تحكم وتحكم معقدة في التيار، واستهلاك مرتفع للطاقة. مع تطور الصناعة، تم طرح متطلبات تبسيط دائرة القيادة، وتقليل تكلفة التصنيع، وتبديل استهلاك الطاقة وانخفاض الجهد الكهربائي على الدوائر الأكاديمية. في تسعينيات القرن العشرين، تم تصنيع IGBT على خلفية أبحاث تكنولوجيا تكامل MOS وBJT. لم يكن ظهور IGBT لخدمة المركبات الكهربائية. مع ذلك، ومع تدهور البيئة العالمية، تطورت المركبات الكهربائية، وبدأ تطبيق IGBT تدريجيًا في مجالات السيارات والنقل وغيرها. ومع التطور المشترك للمركبات الكهربائية و IGBT، أصبحت رقائق IGBT جزءًا لا غنى عنه في المركبات الكهربائية. تظهر عملية تطوير شرائح IGBT للسيارات الكهربائية في الشكل 3. الجيل الأول: النموذج الأولي لـ IGBT، الذي يحتاج إلى تحسين جهد الصمود عن طريق زيادة انجراف النيتروجين، يتميز باستهلاك طاقة مرتفع عند الإيقاف ومقاومة عالية عند التشغيل. نتيجةً للعوامل المذكورة، توقف إنتاج الجيل الأول من IGBT في المختبر ولم يُستخدَم على نطاق واسع. الجيل الثاني: PT-IGBT. لا تخترق طبقة الاستنزاف طبقة N+ العازلة، ويتعزز المجال الكهربائي في منطقة القاعدة بتوزيع شبه منحرف. يُقلل استهلاك الطاقة بتقليل سُمك الشريحة. كانت شركة Siemens هي الشركة الممثلة التي أنتجت أجهزة IGBT في ذلك الوقت. في نهاية القرن العشرين، BSM20GB150DN120 (DN1 يرمز إلى منتج الجيل الأول) الذي تنتجه شركة Siemens يتمتع بأداء جيد عند جهد 1 فولت، ولكن عندما يرتفع الجهد إلى 600 فولت، يصبح سمك الفوقي أكبر، والتكلفة مرتفعة نسبيًا، وتنخفض الموثوقية (يكون انتظام تركيز المنشطات وسمكها ضعيفًا). الجيل الثالث: NPT-IGBT. تحل تقنية زرع الأيونات محل تقنية التوزيع الفوقي لتوليد مجمع P+ (تقنية المجمع الشفاف)، الذي يتحكم بعمق الوصلة بشكل جيد ويضمن أقل كفاءة انبعاث ممكنة. يتم تحقيق خسارة إيقاف التشغيل عن طريق تسريع استخراج الناقل. لا يتأثر عمر الناقل الأصلي لمنطقة القاعدة بشكل كبير، ويكاد يكون تأثيره على استهلاك الطاقة في حالة الاستقرار ضئيلاً. في هذه الحالة، يتميز IGBT بمعامل درجة حرارة موجب، ويؤدي أداءً جيدًا بين فقدان الحالة الاستقرارية وفقدان التوقف. في هذا الوقت، الشركة الممثلة لـ IGBT هي شركة Siemens، التي تعتمد على طريقة ذوبان المنطقة لاستبدال منتجات الدفعة الممتدة. الجيل الرابع: ترانزستور IGBT الخندقي. يتميز هذا الجيل بتحسينات كبيرة مقارنةً بالجيل السابق. في هذه المرة، يُستخدم هيكل الخندق، وتنتقل القناة من السطح السابق إلى السطح الرأسي، مما يعزز تأثير PIN في منطقة القاعدة، ويزيد تركيز الموجات الحاملة بالقرب من البوابة، ويحسّن تأثير تعديل الموصلية إلى حد ما، ويقلل مقاومة التشغيل، ويزيل تأثير JFET. يمكن زيادة كثافة البوابة حسب الحاجة. بالإضافة إلى ذلك، يستمر الجيل الرابع في وراثة تقنية المجمع P+Implicit من الجيل الثالث، ويقدم تقنية PT كطبقة إيقاف المجال، مما يعمل على تحسين جهد التحمل. حلت شركة Infineon محل شركة Siemens باعتبارها الشركة الرائدة، وكانت تكنولوجيا التخفيف الخاصة بها هي الأولى من نوعها في العالم في ذلك الوقت. عند 1200 فولت، يمكن أن يتراوح سمكها بين 120 و140 ميكرومتر، وعند 600 فولت، يمكن أن يكون أقل من 70 ميكرومتر. الجيل الخامس والسادس: الجيل الخامس من FS-IGBT والجيل السادس من FS-Trench هما إعادة تجميع لمختلف التدابير التقنية المبنية على التقنيات الأربع السابقة. الجيل الخامس من IGBT هو مزيج من منتج الجيل الرابع "تكنولوجيا المجمع الشفاف" و "تكنولوجيا إيقاف المجال الكهربائي". الفرق بين منتج الجيل السادس ومنتج الجيل الخامس هو أن هيكل بوابة الخندق تم تحسينه. في مجال المركبات الكهربائية، يتم استخدام IGBT كجهاز رئيسي لأجهزة أشباه الموصلات الجديدة للطاقة، والذي يستخدم على نطاق واسع في النقل بالسكك الحديدية ومركبات الطاقة الجديدة وغيرها من المجالات. في الوقت الحاضر، مع تسارع وتيرة الحياة، يفرض السوق متطلبات أعلى على الطاقة والسلامة وسعر المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة، وتلعب كثافة التيار وفقدان الطاقة واستقرار IGBT دورًا مهمًا.

يرتبط تطوير المركبات الكهربائية ارتباطًا وثيقًا بتطوير وحدات IGBT، والمركبات الكهربائية وأكوام الشحن والمعدات ذات الصلة كلها غير قابلة للفصل عن دعم تقنية IGBT. في تكلفة إنتاج المركبات الكهربائية، تشكل وحدات IGBT أكثر من 10%، وهو ما يمثل ما يقرب من 1/5 من تكلفة إنتاج أكوام الشحن. في مجال المركبات الكهربائية، يُستخدم IGBT بشكل رئيسي في المجالات التالية: 1. نظام التحكم في المركبات الكهربائية: تُستخدم تقنية IGBT للتحكم في محول التيار المستمر/المتردد عالي الطاقة، ومن ثم التحكم في تشغيل المحرك. يُعدّ المحول المكون الأساسي لنظام الجر في نظام التيار المتردد، بينما يُعدّ IGBT المكون الرئيسي لمحول الجر. 2. يستخدم نظام التحكم في تكييف هواء السيارة IGBT وFRD ذات التيار المنخفض للتحكم في عاكس التيار المستمر/التيار المتردد منخفض الطاقة. 3. يتم استخدام وحدة IGBT في كومة الشحن كعنصر تبديل في كومة الشحن الذكية.
بطاقة 

يتميز IGBT بأداء ممتاز في تقنيات كثافة التيار العالية، وتحسين الخسائر المنخفضة، ودرجات الحرارة العالية والجهد العالي، والتكامل الذكي. وقد استُخدم على نطاق واسع في وحدات الطاقة لمركبات الطاقة الجديدة، وله آفاق واعدة. ومع ذلك، لتحقيق التطبيق واسع النطاق لتكنولوجيا تحسين شريحة IGBT للسيارات الكهربائية، فمن الضروري مواصلة تحسين الدقة ومقاومة درجات الحرارة العالية والضغط العالي وتكنولوجيا التكامل متعدد الوظائف لبوابة الخندق.

إخلاء المسؤولية: هذه المقالة مستنسخة من "أشباه الموصلات عبر الإنترنت". تمثل هذه المقالة فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا تمثل آراء Sacco Micro والصناعة. إنه مخصص فقط لإعادة الطباعة والمشاركة لدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة الطبع. وفي حالة وجود أي مخالفة يرجى التواصل معنا لحذفها.

هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس/فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
ف ف: 332496225 مدير تشيو
العنوان: الغرفة 809، المبنى C، مبنى Zhantao Technology، رقم 1079 شارع Minzhi، منطقة Longhua الجديدة، Shenzhen