در مورد کاربرد و توسعه فناوری IGBT وسایل نقلیه الکتریکی صحبت کنید

  دستگاههای قدرت در اواسط قرن بیستم ظاهر شدند. پس از نزدیک به 20 سال توسعه، ترکیب فناوری MOS و BJT منجر به تولد فناوری IGBT شد. پس از بهروزرسانیهای مداوم، IGBT بهطور گسترده در وسایل نقلیه، جوشکاری، هوافضا و سایر زمینهها مورد استفاده قرار گرفته است. این مقاله ساختار و اصل کار IGBT را معرفی میکند و کاربرد آن را در زمینه وسایل نقلیه الکتریکی شرح میدهد، که برای متخصصان مفید است تا اصل IGBT و توسعه فنی آن را در زمینه وسایل نقلیه الکتریکی به طور کامل درک کنند.با تشدید گرمایش جهانی و بدتر شدن محیط زیست، به منظور کاهش فشار صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار، چین هدف بلندی را مطرح کرده است. به منظور دستیابی به هدف صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار، چین به شدت از توسعه وسایل نقلیه انرژی جدید حمایت می کند. اینورتر کشش واحد تبدیل انرژی هسته سیستم انتقال قدرت خودروی الکتریکی می تواند خروجی DC از باتری را به AC سه فاز تبدیل کند. استارت مکرر خودرو باعث می شود که دستگاه های نیمه هادی قدرت در اینورتر نیروهای ضربه ای مختلفی را تحمل کنند. چگالی توان اینورتر ارتباط نزدیکی با توان خروجی خودروهای الکتریکی دارد. قطعات نیمههادی قدرت ماژولهای قدرت خودرو عمدتاً شامل ترانزیستورهای اثر میدانی نیمههادی اکسید فلز قدرت مبتنی بر کاربید سیلیکون و ترانزیستور دوقطبی با گیت عایقبندی شده (IGBT) هستند.

IGBT متعلق به یک قطعه نیمه هادی قدرت با ولتاژ کاملاً کنترل شده مرکب است که از ترانزیستور دو قطبی و ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق تشکیل شده است و از مزایای امپدانس ورودی بالا و افت ولتاژ رسانایی کم برخوردار است. ولتاژ اشباع ترانزیستور غول پیکر کم است، چگالی جریان زیاد است، اما جریان کاری زیاد است. ترانزیستور نیمه اثر فلزی دارای قدرت کاری کم و سرعت سوئیچینگ سریع است، اما دارای افت ولتاژ سوئیچینگ زیاد و چگالی جریان کم است. IGBT پس از روشن شدن، مصرف برق کمی دارد که میتوان آن را به عنوان یک رسانا در نظر گرفت و هنگام خاموش شدن، مقاومت بالایی دارد که میتوان آن را به عنوان یک مدار باز در نظر گرفت. این قطعه دارای سه ویژگی ولتاژ بالا، جریان و سرعت بالا، توان کاری پایین و ولتاژ اشباع پایین است و برای سیستمهای مبدل با ولتاژ DC 600 ولت یا بالاتر مناسب است. از آنجا که وسایل نقلیه الکتریکی الزامات بالایی برای مقاومت ولتاژ، مقاومت در برابر دمای بالا، اتلاف گرما و پایداری دستگاههای قدرت دارند، IGBT عملکرد جامع بهتری نسبت به ترانزیستورهای MOSFET دارد. بنابراین، IGBT در حال حاضر به دستگاه قدرت اصلی در اینورتر وسایل نقلیه الکتریکی تبدیل شده است و پتانسیل توسعه بالایی دارد. IGBT دارای یک شبکه G، یک کلکتور C و یک امیتر E است و یک قطعه سه ترمیناله است. IGBT دارای دو لایه از نواحی کاشت P+ است که یک اتصال PN بزرگتر J1 را تشکیل میدهند. وقتی IGBT به مدار متصل میشود، برخی از حاملها از ناحیه تزریق P+ به ناحیه بیس N ساطع میشوند که میتوانند رسانایی ناحیه رانش را تنظیم کنند. بنابراین، IGBT ظرفیت جریان قوی دارد. ناحیه بافر یک لایه N+ بین ناحیه ایمپلنت P+ و ناحیه N-drift است. اینکه آیا IGBT در بافر وجود دارد یا خیر، ویژگیهای متفاوتی را نشان میدهد. IGBT با بافر N+، IGBT نامتقارن (که به آن IGBT پانچ-ترو نیز گفته میشود) نامیده میشود که مزایای افت ولتاژ رو به جلو کم، زمان خاموش شدن کوتاه و جریان دم کوچک هنگام خاموش شدن را دارد، اما توانایی مسدود کردن معکوس آن نسبتاً ضعیف است. IGBT بدون بافر N، IGBT متقارن (که IGBT بدون پانچ نیز نامیده میشود) نامیده میشود که توانایی مسدود کردن قوی در جهتهای رو به جلو و معکوس دارد و سایر ویژگیهای آن از IGBT پانچ-ترو بدتر است.

  مدار راه اندازی IGBT   مدار راه اندازی IGBT یک ساختار دارلینگتون متشکل از GTR و MOSFET است که با کنترل ولتاژ مثبت و منفی گیت روشن و خاموش میشود. وقتی ولتاژ گیت مثبت است، ترانزیستور دارلینگتون متشکل از GTR و MOSFET در حالت رسانا قرار دارد. وقتی ولتاژ گیت منفی است، ترانزیستور دارلینگتون متشکل از GTR و MOSFET در حالت خاموش است، یعنی کار نمیکند. نمودار مدار معادل مدار راه اندازی IGBT در شکل 2 نشان داده شده است. این مدار میتواند توان خروجی پالس میکروکامپیوتر تک تراشه را تقویت کند تا به طور غیرمستقیم دستگاههای قدرت IGBT را به کار بیندازد. منحنی مشخصه ولت-آمپر مشابه ترانزیستور غول دوقطبی IGBT است. وقتی ولتاژ کنترل UGE افزایش مییابد، منحنی مشخصه به سمت بالا حرکت میکند. تغییر سطح UGE میتواند حالت IGBT (حالت خاموش، حالت اشباع) را کنترل کند، بنابراین اغلب در سوئیچینگ منبع تغذیه استفاده میشود.  

اصول کار IGBT   IGBT را میتوان به عنوان یک ترانزیستور PNP (که توسط MOSFET هدایت میشود) در نظر گرفت. در مقایسه با ترانزیستور PNP معمولی، ناحیه بیس آن ضخیمتر است. مدار معادل در شکل 1(b) نشان داده شده است. در شکل، RN مقاومت مدولاسیون در ناحیه بیس ترانزیستور PNP است و MOSFET یک ترانزیستور اثر میدانی کانال N است. IGBT با این ساختار، IIGBT کانال N نامیده میشود و نماد آن N-IGBT است. به طور مشابه، IGBT کانال P، یعنی P-IGBT، وجود دارد. نماد گرافیکی الکتریکی IGBT در شکل 1(c) نشان داده شده است. IGBT یک دستگاه کنترل میدان است و روشن و خاموش شدن آن توسط ولتاژ UCE بین گیت و امیتر تعیین میشود. اگر ولتاژ روشن شدن UCE(th) کمتر از ولتاژ گیت-امیتر UCE باشد و ولتاژ گیت مثبت باشد، ترانزیستور PNP جریان را در کانال داخلی MOSFET دریافت میکند و IGBT روشن میشود. در این زمان، حاملهایی که از ناحیه P+ وارد ناحیه N- میشوند، رسانایی ناحیه N- را تعدیل میکنند و مقاومت RN(ناحیه N-) به تدریج کاهش مییابد و IGBT افت ولتاژ حالت روشن کمتری خواهد داشت. اگر ولتاژ گیت-امیتر UCE برابر با صفر یا ولتاژ معکوس باشد، هیچ کانالی در MOSFET تشکیل نمیشود، هیچ حاملی از ناحیه P+ وارد ناحیه N- نمیشود تا رسانایی ناحیه N- را تعدیل کند و هیچ جریان بیسی در ترانزیستور وجود نخواهد داشت، بنابراین IGBT وقتی کار نمیکند خاموش میشود. اصل عملکرد IGBT به شرح زیر است. وقتی UCE منفی است: اتصال J3 در حالت بایاس معکوس و دستگاه در حالت انسداد معکوس قرار دارد. وقتی UCE مثبت باشد: UC<UTH، کانال نمیتواند تشکیل شود و دستگاه در حالت مسدودکننده رو به جلو قرار دارد؛ UG>UTH، زیر گیت عایق، یک کانال N تشکیل میشود و به دلیل برهمکنش حاملها، مدولاسیون رسانایی در ناحیه N ایجاد میشود که باعث میشود دستگاه به سمت جلو هدایت شود.   1. شکست  
تفاوت بین ساختار ویفر سیلیکونی و ماسفت قدرت این است که IGBT نسبت به ماسفت قدرت، زیرلایه P+ بیشتر و یک لایه بافر N+ دارد (IGBT ساختار NPT-non-punch-through ندارد) و یک پیوند J1 بین ناحیه P_ و ناحیه N+ بدنه تیوب با استفاده از زیرلایه برقرار میشود. اگر بایاس مثبت گیت، ناحیه پایه P زیر گیت را معکوس کند، یک کانال N در داخل IGBT تشکیل میشود. در این زمان، یک جریان الکترونی و یک جریان در کانال تشکیل میشود. وقتی ولتاژ جریان الکترون تشکیل شده در محدوده 0.7 ولت باشد، J1 در ناحیه P_ برقرار میشود و ناحیه N+ در بایاس مستقیم قرار میگیرد و برخی از حفرهها وارد ناحیه N- میشوند که مقاومت ویژه بین ناحیه N- و ناحیه N+ را تغییر میدهد. این روش تنظیم، مصرف انرژی هدایت IGBT را کاهش میدهد و جریان بار دوم را هدایت میکند. دو توپولوژی جریان مختلف، یک جریان الکترونی ماسفت و یک جریان سوراخ (دو قطبی)، به طور موقت در نیمه هادی ظاهر می شوند.  
2. افت ولتاژ هدایت  
اثر مدولاسیون هدایت می تواند مقدار مقاومت RN و ولتاژ حالت را کاهش دهد. افت ولتاژ به اصطلاح حالت روشن به افت ولتاژ لامپ UDS هنگام ورود IGBT به حالت روشن اشاره دارد و این ولتاژ با افزایش UCS کاهش مییابد.  
3. خاموش کردن  
هنگامی که یک ولتاژ بایاس منفی به گیت اعمال شود یا ولتاژ گیت کمتر از مقدار آستانه باشد، هیچ کانالی تشکیل نخواهد شد و هیچ سوراخی وارد ناحیه N نخواهد شد. در تمام موارد، اگر جریان ماسفت در مرحله سوئیچینگ خیلی سریع افت کند، جریان کلکتور کاهش می یابد. در این زمان، پس از شروع کموتاسیون، چند حامل هنوز در منطقه N باقی می مانند. چگالی شارژ در هنگام خاموش شدن مستقیماً بر کاهش مقدار جریان باقیمانده تأثیر می گذارد. چگالی بار به تعداد و توپولوژی ناخالصیها، ضخامت و دمای لایهها و غیره مربوط میشود. بنابراین کاهش مقدار جریان باقیمانده (wake) تحت تأثیر عوامل زیادی و نامشخص است. جریان جمع کننده تحت تأثیر فروپاشی برخی از حامل های باقیمانده در ناحیه N قرار می گیرد و شکل موج موج مشخصه ظاهر می شود. بیدار شدن مشخصه کلکتور مشکلاتی مانند مصرف برق بالا و هدایت نابسامان ایجاد می کند. این نوع مشکل در تجهیزات دیود چرخ آزاد بارزتر خواهد بود. از آنجایی که جریان باقیمانده ارتباط نزدیکی با بازترکیب حامل های اقلیت دارد، مقدار فعلی جریان باقیمانده باید رابطه مهمی با Tc، IC، UCE و تحرک سوراخ تراشه داشته باشد.
4. مسدود کردن معکوس 
اگر کلکتور ولتاژ معکوس را دریافت کند، اتصال J ناحیه P_ و ناحیه N+ تحت تأثیر ولتاژ بایاس معکوس قرار می گیرد. در عین حال، توانایی مسدود کردن از بین می رود زیرا ضخامت لایه بیش از حد کاهش می یابد و لایه تخلیه به ناحیه N گسترش می یابد. علاوه بر این، اگر اندازه ناحیه بیش از یک مقدار مشخص افزایش یابد، افت ولتاژ به طور مداوم افزایش می یابد. 
5. مسدود کردن جلو  
اگر ترمینال کلکتور ولتاژ مثبت دریافت کند و گیت و امیتر کوتاه شوند، اتصال J بین ناحیه P_ و ناحیه N+ توسط ولتاژ معکوس کنترل می شود.  
6. چفت  
تریستور PNPN بین جمع کننده و امیتر ICBT انگلی است. پدیده هدایت تریستور، قفل شدن IGBT نامیده میشود. تحت شرایط خاصی، تریستور PNPN هدایت می شود، جریان بین کلکتور و امیتر افزایش می یابد و توانایی کنترل ماسفت معادل کاهش می یابد که اغلب منجر به خرابی دستگاه می شود.   و تاریخچه توسعه تراشههای IGBT در وسایل نقلیه الکتریکی.   با نگاهی به توسعه دستگاههای قدرت در دهههای گذشته، در دهه 1960، دستگاههای دوقطبی دارای مقاومت کمی در حالت، مدار کنترل و کنترل جریان پیچیده و مصرف انرژی بالا بودند. با توسعه صنعت، الزامات ساده سازی مدار رانندگی، کاهش هزینه ساخت، مصرف برق سوئیچینگ و افت ولتاژ در حالت به محافل دانشگاهی مطرح می شود. در دهه 1990، IGBT تحت پیشینه تحقیقات فناوری ادغام MOS و BJT تولید شد. ظهور IGBT برای خدمت به وسایل نقلیه الکتریکی نیست. با این حال، با وخامت محیط زیست جهانی، وسایل نقلیه الکتریکی توسعه یافتهاند و IGBT به تدریج در زمینههای خودرو، حمل و نقل و غیره شروع به استفاده کرده است. با توسعه مشترک وسایل نقلیه الکتریکی و IGBT، تراشههای IGBT به بخش ضروری وسایل نقلیه الکتریکی تبدیل شدهاند. روند توسعه تراشههای IGBT برای وسایل نقلیه الکتریکی در شکل 3 نشان داده شده است. نسل اول: نمونه اولیه IGBT که نیاز به بهبود ولتاژ قابل تحمل با افزایش N-drift دارد، مصرف توان خاموش و مقاومت روشن بالایی دارد. به دلیل عوامل فوق، IGBT نسل اول در آزمایشگاه متوقف شد و به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفت. نسل دوم: PT-IGBT. لایه تخلیه نمیتواند به لایه بافر N+ نفوذ کند و میدان الکتریکی در ناحیه پایه به صورت ذوزنقهای تقویت میشود. با کاهش ضخامت تراشه، مصرف برق کاهش مییابد. زیمنس شرکت نمایندهای بود که در آن زمان دستگاههای IGBT تولید میکرد. در پایان قرن بیستم، BSM20GB150DN120 (DN1 مخفف محصول نسل اول) تولید شده توسط زیمنس عملکرد خوبی در ولتاژ 1 ولت دارد، اما زمانی که ولتاژ به 600 ولت افزایش می یابد، ضخامت اپیتاکسیال بزرگتر می شود، هزینه نسبتاً بالا است. و قابلیت اطمینان کاهش می یابد (یکنواختی غلظت و ضخامت دوپینگ ضعیف است). نسل سوم: NPT-IGBT. فناوری کاشت یون جایگزین فناوری اپیتاکسیال برای تولید کلکتور P+ (فناوری کلکتور شفاف) شده است که میتواند عمق اتصال را به خوبی کنترل کرده و کمترین راندمان انتشار ممکن را تضمین کند. از دست دادن خاموش با افزایش سرعت استخراج حامل محقق می شود. طول عمر حامل اصلی ناحیه پایه اساساً تحت تأثیر قرار نمیگیرد و تأثیر آن بر مصرف توان حالت پایدار تقریباً ناچیز است. در این زمان، IGBT دارای ویژگیهای ضریب دمایی مثبت است و بین تلفات حالت پایدار و تلفات خاموش شدن، عملکرد خوبی دارد. در حال حاضر، شرکت نماینده IGBT هنوز شرکت زیمنس است که روش ذوب منطقهای را برای جایگزینی محصولات دستهای توسعهیافته اتخاذ میکند. نسل چهارم: ترنچ-IGBT. نسل چهارم در مقایسه با گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است. این بار از ساختار ترنچ استفاده میشود و کانال از سطح قبلی به سطح عمودی منتقل میشود که باعث افزایش اثر PIN در ناحیه پایه، افزایش غلظت حاملها در نزدیکی گیت، بهبود اثر مدولاسیون رسانایی تا حدی، کاهش مقاومت روشن و حذف اثر JFET میشود. تراکم گیت را میتوان در صورت نیاز افزایش داد. علاوه بر این، نسل چهارم همچنان فناوری جمع کننده P+Implicit نسل سوم را به ارث می برد و فناوری PT را به عنوان لایه توقف میدان معرفی می کند که ولتاژ مقاومت را بهبود می بخشد. Infineon جایگزین زیمنس به عنوان شرکت پیشرو شد و فناوری نازک شدن آن اولین در جهان در آن زمان بود. در ولتاژ 1200 ولت، ضخامت آن می تواند بین 120 تا 140 میکرومتر و در ولتاژ 600 ولت، کمتر از 70 میکرومتر باشد. نسل پنجم و ششم: نسل پنجم FS-IGBT و نسل ششم FS-Trench ترکیبی از اقدامات فنی مختلف بر اساس چهار فناوری قبلی هستند. نسل پنجم IGBT ترکیبی از محصول نسل چهارم "فناوری کلکتور شفاف" و "فناوری توقف میدان الکتریکی" است. تفاوت محصول نسل ششم با محصول نسل پنجم این است که ساختار دروازه ترانشه بهبود یافته است. در زمینه وسایل نقلیه الکتریکی، IGBT به عنوان دستگاه اصلی نیمه هادی های قدرت جدید استفاده می شود که به طور گسترده در حمل و نقل ریلی، وسایل نقلیه انرژی جدید و سایر زمینه ها مورد استفاده قرار می گیرد. در حال حاضر، با سرعت گرفتن زندگی، بازار الزامات بالاتری را برای قدرت، ایمنی و قیمت وسایل نقلیه انرژی جدید مطرح میکند و چگالی جریان، اتلاف توان و پایداری IGBT نقش مهمی ایفا میکنند.

توسعه وسایل نقلیه الکتریکی ارتباط نزدیکی با توسعه ماژولهای IGBT دارد و وسایل نقلیه الکتریکی، شمعهای شارژ و تجهیزات مرتبط، همگی از پشتیبانی فناوری IGBT جداییناپذیر هستند. در هزینه تولید خودروهای برقی، ماژولهای IGBT بیش از 10 درصد از هزینه تولید را تشکیل میدهند که تقریباً 1/5 هزینه تولید شمعهای شارژ را تشکیل میدهد. در زمینه خودروهای الکتریکی، IGBT عمدتاً در جنبههای زیر استفاده میشود: ۱. سیستم کنترل خودروهای الکتریکی. فناوری IGBT برای کنترل اینورتر DC/AC با توان بالا و سپس کنترل عملکرد موتور استفاده میشود. مبدل جزء اصلی کشش در سیستم درایو AC است و IGBT جزء کلیدی مبدل کشش است. ۲. سیستم کنترل تهویه مطبوع خودرو از IGBT و FRD با جریان کم برای کنترل اینورتر DC/AC کممصرف استفاده میکند. ۳. ماژول IGBT شمع شارژ به عنوان عنصر سوئیچینگ در شمع شارژ هوشمند استفاده میشود.
برچسب 

IGBT عملکرد خوبی در چگالی جریان بالا، فناوری بهینهسازی تلفات کم، فناوری دما و ولتاژ بالا و فناوری ادغام هوشمند دارد. این فناوری به طور گسترده در ماژولهای قدرت وسایل نقلیه انرژی جدید مورد استفاده قرار گرفته و چشمانداز خوبی دارد. با این حال، برای تحقق کاربرد گسترده فناوری بهینهسازی تراشه IGBT برای وسایل نقلیه الکتریکی، بهینهسازی بیشتر ظرافت، مقاومت در برابر دمای بالا و فشار بالا و فناوری ادغام چند منظوره دروازه ترانشه ضروری است.

سلب مسئولیت: این مقاله از «نیمه هادی آنلاین» تکثیر شده است. این مقاله فقط دیدگاه های شخصی نویسنده را نشان می دهد و دیدگاه های Sacco Micro و صنعت را نشان نمی دهد. این فقط برای تجدید چاپ و به اشتراک گذاری برای حمایت از حمایت از حقوق مالکیت معنوی است. لطفاً هنگام چاپ مجدد منبع و نویسنده اصلی را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم.

تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 مدیر کیو
آدرس: اتاق 809، بلوک C، ساختمان فناوری Zhantao، خیابان Minzhi شماره 1079، منطقه جدید Longhua، شنژن