Charla sobre la aplicación y desarrollo de la tecnología IGBT en vehículos eléctricos.

  Los dispositivos de potencia aparecieron a mediados del siglo XX. Tras casi 20 años de desarrollo, la combinación de las tecnologías MOS y BJT dio origen a la tecnología IGBT. Después de una actualización continua, el IGBT se ha utilizado ampliamente en vehículos, soldadura, industria aeroespacial y otros campos. Este artículo presenta la estructura y el principio de funcionamiento del IGBT y expone su aplicación en el campo de los vehículos eléctricos, lo que resulta útil para que los profesionales comprendan completamente el principio del IGBT y su desarrollo técnico en el campo de los vehículos eléctricos.Ante el agravamiento del calentamiento global y el deterioro ambiental, para aliviar la presión de la conservación de energía y la reducción de emisiones, China se ha fijado un objetivo elevado. Para lograr el objetivo de ahorro de energía y reducción de emisiones, China apoya vigorosamente el desarrollo de vehículos de nueva energía. El inversor de tracción de la unidad de conversión de energía central del sistema de propulsión de vehículos eléctricos puede convertir la salida de CC de la batería en CA trifásica. Los frecuentes arranques y paradas del vehículo provocan que los dispositivos semiconductores de potencia del inversor soporten diversas fuerzas de impacto. La densidad de potencia del inversor está estrechamente relacionada con la potencia de salida del vehículo eléctrico. Los dispositivos semiconductores de potencia de los módulos de potencia automotrices incluyen principalmente transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico de potencia basados en carburo de silicio y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT).

IGBT pertenece a un dispositivo semiconductor de potencia impulsado por voltaje totalmente controlado compuesto, que está compuesto por un transistor bipolar y un transistor de efecto de campo de puerta aislada, y tiene las ventajas de alta impedancia de entrada y baja caída de voltaje de conducción. El voltaje de saturación del transistor gigante es bajo, la densidad de corriente es alta, pero la corriente de trabajo es alta. El transistor de medio efecto metálico tiene una potencia de trabajo baja y una velocidad de conmutación rápida, pero tiene una gran caída de tensión de conmutación y una baja densidad de corriente. El IGBT presenta un bajo consumo de energía al encenderse, lo que se considera un conductor, y una alta resistencia al apagarse, lo que se considera un circuito abierto. Presenta tres características: alta tensión, alta corriente y alta velocidad, baja potencia de trabajo y baja tensión de saturación, y es adecuado para sistemas convertidores con tensión de CC de 600 V o superior. Dado que los vehículos eléctricos exigen altos requisitos de resistencia al voltaje, resistencia a altas temperaturas, disipación de calor y estabilidad de los dispositivos de potencia, los IGBT ofrecen un rendimiento integral superior al de los transistores MOSFET. Por lo tanto, los IGBT se han convertido en el dispositivo de potencia principal en los inversores de vehículos eléctricos y tienen un gran potencial de desarrollo. El IGBT tiene una rejilla G, un colector C y un emisor E, y es un dispositivo de tres terminales. El IGBT tiene dos capas de regiones de implantación P+, que forman una unión PN J1 más grande. Al conectar el IGBT al circuito, se emiten portadores desde la región de inyección P+ a la región de base N, lo que puede ajustar la conductividad de la región de deriva. Por lo tanto, el IGBT posee una alta capacidad de corriente. La región tampón es una capa N+ entre la región del implante P+ y la región de deriva N-. La presencia o no de IGBT en el buffer muestra características diferentes. El IGBT con buffer N+ se llama IGBT asimétrico (también llamado IGBT de perforación), que tiene las ventajas de una pequeña caída de tensión directa, un tiempo de apagado corto y una pequeña corriente de cola al apagarse, pero su capacidad de bloqueo inverso es relativamente débil. El IGBT sin buffer N se llama IGBT simétrico (también llamado IGBT sin perforación), que tiene una fuerte capacidad de bloqueo en direcciones de avance y retroceso, y sus otras características son peores que las del IGBT con perforación.

  Circuito de accionamiento IGBT   El circuito de control IGBT es una estructura Darlington compuesta por un transistor GTR y un MOSFET, que se activa y desactiva controlando el voltaje positivo y negativo de la compuerta. Cuando el voltaje de compuerta es positivo, el transistor Darlington, compuesto por el transistor GTR y el MOSFET, se encuentra en estado de conducción; cuando el voltaje de compuerta es negativo, el transistor Darlington, compuesto por el transistor GTR y el MOSFET, se encuentra en estado de desactivación, es decir, no funciona. El diagrama de circuito equivalente del circuito de control IGBT se muestra en la Figura 2. Este circuito puede amplificar la potencia de salida de pulsos de un microordenador de un solo chip para activar indirectamente los dispositivos de potencia IGBT. La curva característica voltaica es similar a la del transistor bipolar gigante IGBT. Cuando el voltaje de control UGE aumenta, la curva característica se mueve hacia arriba. Cambiar el nivel de UGE puede controlar el estado del IGBT (estado de desactivación, estado de saturación), por lo que se utiliza a menudo en la conmutación de fuentes de alimentación.  

El principio de funcionamiento del IGBT   El IGBT puede considerarse un transistor PNP (controlado por MOSFET). Comparado con el transistor PNP común, su región base es más gruesa. El circuito equivalente se muestra en la Figura 1(b). En la figura, RN es la resistencia de modulación en la región base del transistor PNP, y el MOSFET es un transistor de efecto de campo de canal N. El IGBT con esta estructura se llama IIGBT de canal N, y su símbolo es N-IGBT. De manera similar, existen IGBT de canal P, a saber, P-IGBT. El símbolo gráfico eléctrico del IGBT se muestra en la Fig. 1(c). El IGBT es un dispositivo de control de campo, y su encendido y apagado están determinados por el voltaje UCE entre la puerta y el emisor. Si el voltaje de encendido UCE(th) es menor que el voltaje puerta-emisor UCE y el voltaje de puerta es positivo, el transistor PNP recibe la corriente en el canal interno del MOSFET, y el IGBT se enciende. En este momento, los portadores que entran en la región N desde la región P+ modulan la conductividad de la región N, y la resistencia RN(región N) disminuirá gradualmente, y el IGBT obtendrá una caída de voltaje en estado encendido menor. Si el voltaje de puerta-emisor UCE es igual a cero o al voltaje inverso, no se formará ningún canal en el MOSFET, ningún portador entrará en la región N desde la región P+ para modular la conductividad de la región N, y no habrá corriente de base en el transistor, por lo que el IGBT se apagará cuando no funcione. El principio de accionamiento del IGBT es el siguiente. Cuando UCE es negativo: la unión J3 está en estado de polarización inversa y el dispositivo está en estado de bloqueo inverso. Cuando UCE es positivo: UC < UTH, no se puede formar el canal y el dispositivo está en un estado de bloqueo hacia adelante; UG > UTH, bajo la puerta aislada, se forma un canal N y, debido a la interacción de los portadores, se genera una modulación de conductancia en la región N, lo que hace que el dispositivo conduzca hacia adelante.   1. ruptura  
La diferencia entre la estructura de la oblea de silicio y el MOSFET de potencia es que el IGBT tiene más sustrato P+ y una capa amortiguadora N+ que el MOSFET de potencia (el IGBT no tiene una estructura NPT sin perforación), y se establece una unión J1 entre la región P_ y la región N+ del cuerpo del tubo mediante el uso del sustrato. Si la polarización positiva de la compuerta invierte la región de base P bajo la compuerta, se formará un canal N dentro del IGBT. En este momento, se generará un flujo de electrones y una corriente en el canal. Cuando el voltaje de la corriente de electrones formados se encuentra dentro del rango de 0.7 V, J1 se establece en la región P_ y la región N+ está en polarización directa, y algunos huecos entran en la región N-, lo que modifica la resistividad entre ambas regiones. Este método de ajuste reduce el consumo de energía de la conducción del IGBT e impulsa el segundo flujo de carga. En el semiconductor aparecen temporalmente dos topologías de corriente diferentes, una corriente de electrones MOSFET y una corriente de hueco (bipolar).  
2. Caída de tensión de conducción  
El efecto de modulación de conductancia puede reducir el valor de la resistencia RN y el voltaje en estado encendido. La llamada caída de tensión en estado encendido se refiere a la caída de tensión del tubo UDS cuando el IGBT entra en el estado encendido, y este voltaje disminuye a medida que aumenta el UCS.  
3. apagar  
Cuando se aplica un voltaje de polarización negativa a la puerta o el voltaje de la puerta es inferior al valor umbral, no se formará ningún canal y no entrarán agujeros en la región N. En todos los casos, si la corriente del MOSFET cae demasiado rápido en la etapa de conmutación, la corriente del colector disminuirá. En este momento, después de que comience la conmutación, todavía quedan algunos transportistas en la región N. La densidad de carga en el momento del apagado afectará directamente la reducción del valor de la corriente residual. La densidad de carga está relacionada con el número y la topología de las impurezas, el espesor y la temperatura de las capas, etc. Por lo tanto, la reducción del valor de la corriente residual (estela) se ve afectada por muchos factores y es incierta. La corriente del colector se ve afectada por la caída de algunas portadoras residuales en la región N y aparece la forma de onda de estela característica. La estela característica del colector causará problemas como un alto consumo de energía y una conducción desordenada. Este tipo de problema será más prominente en los equipos de diodo de rueda libre. Debido a que la corriente residual está estrechamente relacionada con la recombinación de portadores minoritarios, el valor actual de la corriente residual debería tener una relación importante con Tc, IC, UCE y la movilidad de los huecos del chip.
4. Bloqueo inverso 
Si el colector obtiene el voltaje inverso, la unión J de la región P_ y la región N+ se verá afectada por el voltaje de polarización inversa. Al mismo tiempo, la capacidad de bloqueo se perderá porque el espesor de la capa disminuye demasiado y la capa de agotamiento se extenderá hasta la región N. Además, si el tamaño de la región aumenta más allá de cierto valor, la caída de voltaje aumentará continuamente. 
5. bloqueo hacia adelante  
Si el terminal del colector obtiene un voltaje positivo y la puerta y el emisor están en cortocircuito, la unión J entre la región P_ y la región N+ se controla mediante voltaje inverso.  
6. pestillo  
El tiristor PNPN es parásito entre el colector y el emisor de ICBT. El fenómeno de conducción del tiristor se denomina latch-up IGBT. Bajo ciertas condiciones, el tiristor PNPN conducirá, la corriente entre el colector y el emisor aumentará y la capacidad de controlar el MOSFET equivalente disminuirá, lo que a menudo conduce a la falla del dispositivo.   Y la historia del desarrollo de los chips IGBT en vehículos eléctricos.   Mirando hacia atrás en el desarrollo de los dispositivos de energía en las últimas décadas, en la década de 1960, los dispositivos bipolares tenían una pequeña resistencia en el estado de encendido, un circuito de control y control de corriente complicado y un alto consumo de energía. Con el desarrollo de la industria, se plantean en los círculos académicos los requisitos de simplificar el circuito de conducción, reducir el costo de fabricación, el consumo de energía de conmutación y la caída de voltaje en estado encendido. En la década de 1990, se fabricó IGBT en el contexto de la investigación de la tecnología de integración MOS y BJT. La aparición de los IGBT no se concibió para los vehículos eléctricos. Sin embargo, con el deterioro del medio ambiente global, los vehículos eléctricos se han desarrollado y los IGBT se han ido aplicando gradualmente en los sectores de la automoción, el transporte, etc. Con el desarrollo conjunto de los vehículos eléctricos y los IGBT, los chips IGBT se han convertido en un componente indispensable de los vehículos eléctricos. El proceso de desarrollo de chips IGBT para vehículos eléctricos se muestra en la Figura 3. Primera generación: El prototipo de IGBT, que necesita mejorar la tensión no disruptiva mediante el aumento de la deriva N, presenta un alto consumo de energía en estado de apagado y una alta resistencia en estado de encendido. Debido a estos factores, la primera generación de IGBT se estancó en el laboratorio y su uso no fue generalizado. Segunda generación: PT-IGBT. La capa de agotamiento no penetra la capa intermedia de N+, y el campo eléctrico en la región base se intensifica con una distribución trapezoidal. El consumo de energía se reduce al reducir el grosor del chip. Siemens era la empresa representativa que producía dispositivos IGBT en ese momento. A finales del siglo XX, el BSM20GB150DN120 (DN1 significa producto de primera generación) producido por Siemens tiene un buen rendimiento con un voltaje de 1 V, pero cuando el voltaje aumenta a 600 V, el espesor epitaxial aumenta y el costo es relativamente alto. y la confiabilidad disminuye (la uniformidad de la concentración y el espesor del dopaje es pobre). Tercera generación: NPT-IGBT. La tecnología de implantación iónica reemplaza la tecnología epitaxial para generar un colector P+ (tecnología de colector transparente), que permite un buen control de la profundidad de la unión y garantiza la menor eficiencia de emisión posible. La pérdida de desconexión se logra acelerando la extracción del portador. La vida útil original del portador de la región base prácticamente no se ve afectada, y la influencia en el consumo de energía en estado estacionario es prácticamente nula. En este caso, el IGBT presenta un coeficiente de temperatura positivo y un buen rendimiento entre la pérdida en estado estacionario y la pérdida de apagado. En este momento, la empresa representante de IGBT sigue siendo Siemens, que adopta el método de fusión por zonas para reemplazar los productos de lotes extendidos. Cuarta generación: IGBT de trinchera. Esta cuarta generación presenta una mejora significativa con respecto a la generación anterior. En esta ocasión, se utiliza la estructura de trinchera, y el canal se desplaza desde la superficie anterior a la vertical, lo que potencia el efecto PIN en la región base, aumenta la concentración de portadores cerca de la puerta, mejora en cierta medida el efecto de modulación de conductancia, reduce la resistencia de encendido y elimina el efecto JFET. La densidad de la puerta se puede aumentar según sea necesario. Además, la cuarta generación continúa heredando la tecnología de colector P+Implicit de la tercera generación e introduce la tecnología PT como capa de parada de campo, lo que mejora la tensión soportada. Infineon reemplazó a Siemens como empresa líder y su tecnología de adelgazamiento fue la primera del mundo en ese momento. A 1200 V su espesor podría estar entre 120 y 140 um, y a 600 V podría estar por debajo de 70 um. La quinta y sexta generación: la quinta generación FS-IGBT y la sexta generación FS-Trench son la recombinación de varias medidas técnicas basadas en las cuatro tecnologías anteriores. El IGBT de quinta generación es la combinación de la "tecnología de colector transparente" y la "tecnología de parada de campo eléctrico" del producto de cuarta generación. La diferencia entre el producto de sexta generación y el producto de quinta generación es que se mejora la estructura de la compuerta de zanja. En el campo de los vehículos eléctricos, el IGBT se utiliza como el dispositivo principal de los nuevos dispositivos semiconductores de potencia, que se utilizan ampliamente en el tránsito ferroviario, los vehículos de nueva energía y otros campos. En la actualidad, con el ritmo de vida acelerado, el mercado plantea mayores exigencias a la potencia, seguridad y precio de los vehículos de nueva energía, y la densidad de corriente, la pérdida de potencia y la estabilidad de los IGBT juegan un papel importante.

El desarrollo de vehículos eléctricos está estrechamente relacionado con el desarrollo de módulos IGBT, y los vehículos eléctricos, las pilas de carga y los equipos relacionados son inseparables del respaldo de la tecnología IGBT. En el costo de producción de los vehículos eléctricos, los módulos IGBT representan más del 10%, lo que representa casi 1/5 del costo de producción de las pilas de carga. En el campo de los vehículos eléctricos, los IGBT se utilizan principalmente en los siguientes aspectos: 1. Sistema de control de vehículos eléctricos. La tecnología IGBT se utiliza para controlar un inversor de CC/CA de alta potencia y, posteriormente, el funcionamiento del motor. El convertidor es el componente principal de la tracción en el sistema de accionamiento de CA, y el IGBT es el componente clave del convertidor de tracción. 2. El sistema de control del aire acondicionado del vehículo utiliza IGBT y FRD con baja corriente para controlar el inversor CC/CA de baja potencia. 3. El módulo IGBT de la pila de carga se utiliza como elemento de conmutación en la pila de carga inteligente.
 

Los IGBT ofrecen un buen rendimiento en alta densidad de corriente, tecnología de optimización de bajas pérdidas, alta temperatura y alto voltaje, y tecnología de integración inteligente. Se han utilizado ampliamente en módulos de potencia de vehículos de nueva energía y tienen un futuro prometedor. Sin embargo, para lograr la aplicación a gran escala de la tecnología de optimización de chips IGBT para vehículos eléctricos, es necesario optimizar aún más la finura, la resistencia a altas temperaturas y altas presiones y la tecnología de integración multifuncional de la compuerta de trinchera.

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