Sprechen Sie über die Anwendung und Entwicklung der IGBT-Technologie für Elektrofahrzeuge

  Leistungsbauelemente kamen Mitte des 20. Jahrhunderts auf den Markt. Nach fast 30 Jahren Entwicklung entstand durch die Kombination von MOS- und BJT-Technologie die IGBT-Technologie. Nach kontinuierlicher Aktualisierung wird IGBT häufig in Fahrzeugen, beim Schweißen, in der Luft- und Raumfahrt und in anderen Bereichen eingesetzt. In diesem Dokument werden die Struktur und das Funktionsprinzip von IGBT vorgestellt und dessen Anwendung im Bereich der Elektrofahrzeuge erläutert. Dies ist für Praktiker hilfreich, um das Prinzip von IGBT und seine technische Entwicklung im Bereich der Elektrofahrzeuge vollständig zu verstehen.Angesichts der Verschärfung der globalen Erwärmung und der Umweltzerstörung hat sich China ein hohes Ziel gesetzt, um den Druck der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung zu mildern. Um das Ziel der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung zu erreichen, unterstützt China energisch die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge. Der Traktionswechselrichter der Kernenergieumwandlungseinheit des Antriebsstrangs von Elektrofahrzeugen kann den Gleichstromausgang der Batterie in dreiphasigen Wechselstrom umwandeln. Durch das häufige Starten und Stoppen des Fahrzeugs sind die Leistungshalbleiterbauelemente im Wechselrichter unterschiedlichen Stoßkräften ausgesetzt. Die Leistungsdichte des Wechselrichters hängt eng mit der Leistungsabgabe eines Elektrofahrzeugs zusammen. Die Leistungshalbleiterbauelemente von Automobil-Leistungsmodulen bestehen hauptsächlich aus Siliziumkarbid-basierten Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT).

IGBT gehört zu den zusammengesetzten, vollständig gesteuerten, spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterbauelementen, die aus einem Bipolartransistor und einem Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate bestehen und die Vorteile einer hohen Eingangsimpedanz und eines geringen Leitungsspannungsabfalls bieten. Die Sättigungsspannung des Riesentransistors ist niedrig, die Stromdichte ist hoch, aber der Arbeitsstrom ist hoch. Metall-Halbeffekttransistoren haben eine geringe Arbeitsleistung und eine hohe Schaltgeschwindigkeit, weisen jedoch einen großen Schaltspannungsabfall und eine geringe Stromdichte auf. IGBTs haben nach dem Einschalten einen geringen Stromverbrauch, was als Leiter angesehen werden kann, und einen hohen Widerstand im ausgeschalteten Zustand, was als offener Stromkreis angesehen werden kann. Sie haben drei Eigenschaften: hohe Spannung, hoher Strom und hohe Geschwindigkeit, geringe Arbeitsleistung und geringe Sättigungsspannung und eignen sich für Konvertersysteme mit einer Gleichspannung von 600 V oder mehr. Da bei Elektrofahrzeugen hohe Anforderungen an die Spannungsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Wärmeableitung und Stabilität der Leistungsbauelemente gestellt werden, weisen IGBTs eine bessere Gesamtleistung als MOSFET-Transistoren auf. Daher sind IGBTs derzeit das gängige Leistungsbauelement in Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen und verfügen über ein großes Entwicklungspotenzial. Der IGBT hat ein Gitter G, einen Kollektor C und einen Emitter E und ist ein Gerät mit drei Anschlüssen. Der IGBT verfügt über zwei Schichten von P+-Implantationsbereichen, die einen größeren PN-Übergang J1 bilden. Wenn der IGBT an den Schaltkreis angeschlossen wird, werden einige Ladungsträger vom Injektionsbereich P+ zum Basisbereich N emittiert, wodurch die Leitfähigkeit des Driftbereichs angepasst werden kann. Daher verfügt der IGBT über eine hohe Stromkapazität. Die Pufferregion ist eine N+-Schicht zwischen der P+-Implantationsregion und der N-Driftregion. Ob sich im Puffer IGBT befindet oder nicht, weist unterschiedliche Eigenschaften auf. IGBT mit N+-Puffer wird als asymmetrischer IGBT (auch Punch-Through-IGBT genannt) bezeichnet und bietet die Vorteile eines geringen Durchlassspannungsabfalls, einer kurzen Dog-Ausschaltzeit und eines geringen Tail-Stroms beim Ausschalten, seine Rückwärtssperrfähigkeit ist jedoch relativ schwach. IGBT ohne N-Puffer wird als symmetrischer IGBT (auch Non-Punch-Through-IGBT genannt) bezeichnet, der eine starke Sperrfähigkeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung aufweist und dessen andere Eigenschaften schlechter sind als die von Punch-Through-IGBT.

  IGBT-Treiberschaltung   Die IGBT-Treiberschaltung ist eine Darlington-Struktur aus GTR und MOSFET, die durch Steuern der positiven und negativen Gate-Spannung ein- und ausgeschaltet wird. Bei positiver Gate-Spannung ist der aus GTR und MOSFET bestehende Darlington-Transistor leitend; bei negativer Gate-Spannung ist der aus GTR und MOSFET bestehende Darlington-Transistor gesperrt, d. h. er arbeitet nicht. Das Ersatzschaltbild der IGBT-Treiberschaltung ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Schaltung kann die Impulsausgangsleistung eines Einchip-Mikrocomputers verstärken, um IGBT-Leistungsgeräte indirekt anzutreiben. Die Volt-Ampere-Kennlinie ähnelt der eines bipolaren Riesentransistors (IGBT). Wenn die Steuerspannung UGE steigt, steigt die Kennlinie an. Durch Ändern des UGE-Pegels kann der Zustand des IGBT (Sperrzustand, Sättigungszustand) gesteuert werden. Daher wird diese Funktion häufig zum Schalten von Stromversorgungen verwendet.  

Das Funktionsprinzip von IGBT   Ein IGBT kann als PNP-Transistor (angesteuert durch einen MOSFET) betrachtet werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen PNP-Transistor ist sein Basisbereich dicker. Das entsprechende Schaltbild ist in Abbildung 1(b) dargestellt. In der Abbildung ist RN der Modulationswiderstand im Basisbereich des PNP-Transistors und der MOSFET ein N-Kanal-Feldeffekttransistor. Ein IGBT mit dieser Struktur wird als N-Kanal-IIGBT bezeichnet und hat das Symbol N-IGBT. Ebenso gibt es P-Kanal-IGBTs, die P-IGBT. Das elektrische Symbol eines IGBT ist in Abbildung 1(c) dargestellt. Ein IGBT ist ein Feldsteuergerät, dessen Ein- und Ausschalten durch die Spannung UCE zwischen Gate und Emitter bestimmt wird. Wenn die Einschaltspannung UCE(th) kleiner als die Gate-Emitter-Spannung UCE und die Gate-Spannung positiv ist, erhält der PNP-Transistor Strom im internen Kanal des MOSFET und der IGBT schaltet ein. Zu diesem Zeitpunkt modulieren die aus dem P+-Bereich in den N-Bereich eintretenden Träger die Leitfähigkeit des N-Bereichs, wodurch der Widerstand RN(N-Bereich) allmählich abnimmt und der IGBT einen geringeren Durchlassspannungsabfall aufweist. Wenn die Gate-Emitter-Spannung UCE gleich Null oder der Sperrspannung ist, wird im MOSFET kein Kanal gebildet und es gelangen keine Träger aus dem P+-Bereich in den N-Bereich, um die Leitfähigkeit des N-Bereichs zu modulieren. Im Transistor fließt kein Basisstrom, sodass der IGBT abschaltet, wenn er nicht funktioniert. Das Antriebsprinzip des IGBT ist wie folgt. Wenn UCE negativ ist, befindet sich die J3-Verbindung im Sperrzustand und das Gerät ist im Sperrzustand. Wenn UCE positiv ist: UC < UTH, kann der Kanal nicht gebildet werden und das Gerät befindet sich in einem Vorwärtssperrzustand; UG > UTH, unter dem isolierten Gate wird ein N-Kanal gebildet und aufgrund der Wechselwirkung der Träger wird im N-Bereich eine Leitfähigkeitsmodulation erzeugt, die das Gerät vorwärts leiten lässt.   1. Durchbruch  
Der Unterschied zwischen der Struktur eines Siliziumwafers und eines Leistungs-MOSFET besteht darin, dass der IGBT mehr P+-Substrat und eine N+-Pufferschicht als der Leistungs-MOSFET hat (der IGBT hat keine NPT-Non-Punch-Through-Struktur) und dass durch die Verwendung des Substrats eine J1-Verbindung zwischen der P_-Region und der N+-Region des Röhrenkörpers hergestellt wird. Wenn die positive Gate-Vorspannung den P-Basisbereich unter dem Gate invertiert, bildet sich im IGBT ein N-Kanal. Zu diesem Zeitpunkt entstehen im Kanal ein Elektronenfluss und ein Strom. Wenn die Spannung des gebildeten Elektronenstroms im Bereich von 0.7 V liegt, wird J1 in der P_-Region und der N+-Region in Durchlassrichtung vorgespannt, und einige Löcher dringen in die N-Region ein, wodurch sich der spezifische Widerstand zwischen der N-Region und der N+-Region ändert. Diese Anpassungsmethode reduziert den Energieverbrauch der IGBT-Leitung und fördert den zweiten Ladungsfluss. Im Halbleiter treten vorübergehend zwei unterschiedliche Stromtopologien auf, ein MOSFET-Elektronenstrom und ein Löcherstrom (bipolar).  
2. Leitungsspannungsabfall  
Der Leitfähigkeitsmodulationseffekt kann den Widerstandswert RN und die Durchlassspannung verringern. Der sogenannte Durchlassspannungsabfall bezeichnet den Röhrenspannungsabfall UDS beim Einschalten des IGBT und nimmt mit steigendem UCS ab.  
3. abschalten  
Wenn eine negative Vorspannung an das Gate angelegt wird oder die Gate-Spannung niedriger als der Schwellenwert ist, wird kein Kanal gebildet und es gelangen keine Löcher in den N-Bereich. In allen Fällen gilt: Wenn der MOSFET-Strom in der Schaltphase zu schnell abfällt, verringert sich der Kollektorstrom. Zu diesem Zeitpunkt, nachdem die Kommutierung begonnen hat, verbleiben noch einige Träger im N-Bereich. Die Ladungsdichte beim Ausschalten wirkt sich direkt auf die Reduzierung des Reststromwerts aus. Die Ladungsdichte hängt von der Anzahl und Topologie der Verunreinigungen, der Dicke und Temperatur der Schichten usw. ab. Daher wird die Reduzierung des Reststromwerts (Wake) von vielen Faktoren beeinflusst und ist ungewiss. Der Kollektorstrom wird durch den Zerfall einiger Restträger im N-Bereich beeinflusst und es entsteht die charakteristische Nachlaufwellenform. Der charakteristische Kollektornachlauf führt zu Problemen wie hohem Stromverbrauch und gestörter Leitung. Diese Art von Problem tritt bei Geräten mit Freilaufdioden stärker auf. Da der Reststrom eng mit der Rekombination von Minoritätsträgern zusammenhängt, sollte der aktuelle Wert des Reststroms einen wichtigen Zusammenhang mit Tc, IC, UCE und Lochmobilität des Chips haben.
4. Rückwärtssperre 
Wenn der Kollektor die Sperrspannung erhält, wird der J-Übergang des P_-Bereichs und des N+-Bereichs von der Sperrspannung beeinflusst. Gleichzeitig geht die Sperrfähigkeit verloren, da die Schichtdicke zu stark abnimmt und die Verarmungsschicht bis in den N-Bereich reicht. Wenn außerdem die Bereichsgröße über einen bestimmten Wert hinaus zunimmt, nimmt der Spannungsabfall kontinuierlich zu. 
5. Vorwärtsblockierung  
Wenn der Kollektoranschluss eine positive Spannung erhält und Gate und Emitter kurzgeschlossen sind, wird der J-Übergang zwischen dem P_-Bereich und dem N+-Bereich durch die Sperrspannung gesteuert.  
6. verriegeln  
Der PNPN-Thyristor ist parasitär zwischen Kollektor und Emitter des ICBT. Das Thyristor-Leitungsphänomen wird als IGBT-Latch-up bezeichnet. Unter bestimmten Bedingungen leitet der PNPN-Thyristor, der Strom zwischen Kollektor und Emitter steigt an und die Fähigkeit, den entsprechenden MOSFET zu steuern, nimmt ab, was häufig zum Ausfall des Geräts führt.   Und die Entwicklungsgeschichte von IGBT-Chips in Elektrofahrzeugen.   Rückblickend auf die Entwicklung von Leistungsgeräten in den letzten Jahrzehnten: In den 1960er Jahren hatten bipolare Geräte einen geringen Einschaltwiderstand, eine komplizierte Stromsteuerung und Steuerschaltung sowie einen hohen Stromverbrauch. Mit der Entwicklung der Industrie werden in akademischen Kreisen die Anforderungen nach einer Vereinfachung der Ansteuerschaltung, einer Reduzierung der Herstellungskosten, des Schaltstromverbrauchs und des Spannungsabfalls im eingeschalteten Zustand vorgebracht. In den 1990er Jahren wurden IGBTs vor dem Hintergrund der Forschung zur MOS- und BJT-Integrationstechnologie hergestellt. Die Einführung von IGBT ist nicht auf den Einsatz in Elektrofahrzeugen ausgerichtet. Mit der Verschlechterung der globalen Umweltbedingungen haben sich jedoch Elektrofahrzeuge weiterentwickelt, und IGBT wird zunehmend in den Bereichen Automobil, Transport usw. eingesetzt. Mit der gemeinsamen Entwicklung von Elektrofahrzeugen und IGBT sind IGBT-Chips zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Elektrofahrzeugen geworden. Der Entwicklungsprozess von IGBT-Chips für Elektrofahrzeuge ist in Abbildung 3 dargestellt. Die erste Generation: Der IGBT-Prototyp, der die Spannungsfestigkeit durch Erhöhung der N-Drift verbessern muss, weist einen hohen Stromverbrauch im ausgeschalteten Zustand und einen hohen Einschaltwiderstand auf. Aufgrund der oben genannten Faktoren blieb der IGBT der ersten Generation im Labor stehen und wurde nicht weit verbreitet. Die zweite Generation: PT-IGBT. Die Sperrschicht durchdringt die N+-Pufferschicht nicht, und das elektrische Feld im Basisbereich wird trapezförmig verstärkt. Durch die Reduzierung der Chipdicke wird der Stromverbrauch reduziert. Siemens war damals das führende Unternehmen, das IGBT-Geräte herstellte. Am Ende des 20. Jahrhunderts hatte der von Siemens hergestellte BSM150GB120DN1 (DN1 steht für das Produkt der ersten Generation) eine gute Leistung bei einer Spannung von 600 V, aber wenn die Spannung auf 1200 V ansteigt, wird die Epitaxiedicke größer und die Kosten sind relativ hoch. und die Zuverlässigkeit nimmt ab (die Gleichmäßigkeit der Dotierungskonzentration und -dicke ist schlecht). Die dritte Generation: NPT-IGBT. Die Ionenimplantationstechnologie ersetzt die Epitaxietechnologie zur Erzeugung eines P+-Kollektors (transparente Kollektortechnologie), der die Übergangstiefe gut steuern und die niedrigstmögliche Emissionseffizienz gewährleisten kann. Der Abschaltverlust wird durch die Beschleunigung der Trägerextraktion realisiert. Die ursprüngliche Trägerlebensdauer der Basisregion wird grundsätzlich nicht beeinträchtigt und der Einfluss auf den stationären Stromverbrauch ist nahezu vernachlässigbar. Zu diesem Zeitpunkt weist der IGBT die Eigenschaften eines positiven Temperaturkoeffizienten auf und weist zwischen den stationären Verlusten und den Abschaltverlusten eine gute Leistung auf. Derzeit ist Siemens noch immer das repräsentative Unternehmen für IGBT und verwendet das Zonenschmelzverfahren, um die Produkte mit erweiterter Chargenproduktion zu ersetzen. Die vierte Generation: Trench-IGBT. Die vierte Generation stellt im Vergleich zur Vorgängergeneration eine deutliche Verbesserung dar. Dieses Mal wird die Trench-Struktur verwendet, und der Kanal verlagert sich von der vorherigen Oberfläche zur vertikalen Oberfläche. Dies verstärkt den PIN-Effekt im Basisbereich, erhöht die Ladungsträgerkonzentration in Gatenähe, verbessert den Leitfähigkeitsmodulationseffekt teilweise, reduziert den Einschaltwiderstand und eliminiert den JFET-Effekt. Die Gate-Dichte kann nach Bedarf erhöht werden. Darüber hinaus erbt die vierte Generation weiterhin die Kollektor-P+Implicit-Technologie der dritten Generation und führt die PT-Technologie als Feldstoppschicht ein, die die Spannungsfestigkeit verbessert. Infineon löste Siemens als führendes Unternehmen ab und seine Ausdünnungstechnologie war damals die erste der Welt. Bei 1200 V könnte seine Dicke zwischen 120 und 140 µm liegen, und bei 600 V könnte sie unter 70 µm liegen. Die fünfte und sechste Generation: Die fünfte Generation des FS-IGBT und die sechste Generation des FS-Trench sind die Rekombination verschiedener technischer Maßnahmen basierend auf den vorherigen vier Technologien. Der IGBT der fünften Generation ist die Kombination der Produkte der vierten Generation „Transparent Collector Technology“ und „Electric Field Stop Technology“. Der Unterschied zwischen dem Produkt der sechsten Generation und dem Produkt der fünften Generation besteht darin, dass die Trench-Gate-Struktur verbessert ist. Im Bereich der Elektrofahrzeuge wird IGBT als Hauptkomponente neuer Leistungshalbleiterbauelemente eingesetzt, die im Schienenverkehr, bei Fahrzeugen mit alternativer Energie und in anderen Bereichen weit verbreitet sind. Aufgrund des zunehmenden Lebenstempos stellt der Markt derzeit höhere Anforderungen an Leistung, Sicherheit und Preis von Fahrzeugen mit alternativer Energie. Dabei spielen Stromdichte, Leistungsverlust und Stabilität von IGBTs eine wichtige Rolle.

Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist eng mit der Entwicklung von IGBT-Modulen verbunden, und Elektrofahrzeuge, Ladesäulen und zugehörige Geräte sind untrennbar mit der Unterstützung der IGBT-Technologie verbunden. Bei den Produktionskosten von Elektrofahrzeugen machen IGBT-Module mehr als 10 % aus, was fast 1/5 der Produktionskosten von Ladesäulen entspricht. Im Bereich der Elektrofahrzeuge wird IGBT hauptsächlich in folgenden Bereichen eingesetzt: 1. Steuerungssystem von Elektrofahrzeugen IGBT-Technologie wird verwendet, um Hochleistungs-DC/AC-Wechselrichter zu steuern und dann den Betrieb des Motors zu steuern. Der Konverter ist die Kernkomponente der Traktion im AC-Antriebssystem und IGBT ist die Schlüsselkomponente des Traktionskonverters. 2. Das Steuerungssystem der Fahrzeugklimaanlage verwendet IGBT und FRD mit niedrigem Strom zur Steuerung eines DC/AC-Wechselrichters mit geringer Leistung. 3. Das IGBT-Modul der Ladesäule wird als Schaltelement in der intelligenten Ladesäule verwendet.
Etikett 

IGBTs zeichnen sich durch eine gute Leistung bei hoher Stromdichte, verlustarmer Optimierungstechnologie, Hochtemperatur- und Hochspannungstechnologie sowie intelligenter Integrationstechnologie aus. Sie werden häufig in Leistungsmodulen von Fahrzeugen mit neuer Energie eingesetzt und haben gute Aussichten. Um jedoch eine großflächige Anwendung der IGBT-Chip-Optimierungstechnologie für Elektrofahrzeuge zu realisieren, ist es notwendig, die Feinheit, die Hochtemperatur- und Hochdruckbeständigkeit sowie die multifunktionale Integrationstechnologie des Trench-Gates weiter zu optimieren.

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