Parlez de l'application et du développement de la technologie IGBT pour véhicules électriques

  Les dispositifs de puissance sont apparus au milieu du XXe siècle. Après près de 20 ans de développement, la combinaison des technologies MOS et BJT a donné naissance à la technologie IGBT. Après une mise à jour continue, l'IGBT a été largement utilisé dans les véhicules, le soudage, l'aérospatiale et d'autres domaines. Cet article présente la structure et le principe de fonctionnement de l'IGBT et explique son application dans le domaine des véhicules électriques, ce qui est utile aux praticiens pour comprendre pleinement le principe de l'IGBT et son développement technique dans le domaine des véhicules électriques.Face à l'aggravation du réchauffement climatique et à la détérioration de l'environnement, afin d'atténuer la pression des économies d'énergie et de la réduction des émissions, la Chine s'est fixé un objectif ambitieux. Afin d'atteindre l'objectif d'économie d'énergie et de réduction des émissions, la Chine soutient vigoureusement le développement de véhicules à énergie nouvelle. L'onduleur de traction de l'unité de conversion d'énergie de base du groupe motopropulseur du véhicule électrique peut convertir la sortie CC de la batterie en CA triphasé. Les démarrages et arrêts fréquents du véhicule font que les dispositifs à semi-conducteurs de puissance de l'onduleur subissent diverses forces d'impact. La densité de puissance de l’onduleur est étroitement liée à la puissance de sortie du véhicule électrique. Les dispositifs semi-conducteurs de puissance des modules de puissance automobiles comprennent principalement des transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique de puissance à base de carbure de silicium et des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT).

L'IGBT appartient à un dispositif semi-conducteur de puissance à tension entièrement contrôlée, composé d'un transistor bipolaire et d'un transistor à effet de champ à grille isolée, et présente les avantages d'une impédance d'entrée élevée et d'une faible chute de tension de conduction. La tension de saturation du transistor géant est faible, la densité de courant est élevée, mais le courant de fonctionnement est élevé. Le transistor métallique à demi-effet a une faible puissance de travail et une vitesse de commutation rapide, mais il présente une chute de tension de commutation importante et une faible densité de courant. L'IGBT présente une faible consommation d'énergie à la mise sous tension, ce qui permet de le considérer comme un conducteur, et une résistance élevée à la mise hors tension, ce qui permet de le considérer comme un circuit ouvert. Il présente trois caractéristiques : haute tension, courant élevé et vitesse élevée, faible puissance de fonctionnement et faible tension de saturation, et convient aux systèmes de conversion dont la tension continue est supérieure ou égale à 600 V. Les véhicules électriques étant soumis à des exigences élevées en matière de tenue en tension, de résistance aux hautes températures, de dissipation thermique et de stabilité des dispositifs d'alimentation, les IGBT offrent des performances globales supérieures à celles des transistors MOSFET. De ce fait, les IGBT sont devenus le composant d'alimentation principal des onduleurs de véhicules électriques et présentent un fort potentiel de développement. L'IGBT possède une grille G, un collecteur C et un émetteur E, et est un dispositif à trois bornes. L'IGBT possède deux couches de régions d'implantation P+, qui forment une jonction PN J1 plus grande. Lorsque l'IGBT est connecté au circuit, certains porteurs sont émis de la zone d'injection P+ vers la zone de base N, ce qui permet d'ajuster la conductivité de la zone de dérive. Par conséquent, l'IGBT possède une forte capacité de courant. La région tampon est une couche N+ entre la région d'implant P+ et la région de dérive N-. La présence ou non d'IGBT dans le tampon présente des caractéristiques différentes. L'IGBT avec tampon N+ est appelé IGBT asymétrique (également appelé IGBT punch-through), qui présente les avantages d'une faible chute de tension directe, d'un temps d'arrêt court et d'un faible courant de queue lors de l'arrêt, mais sa capacité de blocage inverse est relativement faible. L'IGBT sans tampon N est appelé IGBT symétrique (également appelé IGBT non perforé), qui a une forte capacité de blocage dans les directions avant et arrière, et ses autres caractéristiques sont pires que celles de l'IGBT perforé.

  Circuit de commande IGBT   Le circuit de commande d'IGBT est une structure Darlington composée d'un transistor à grille géante et d'un transistor MOSFET, dont l'activation et la désactivation s'effectuent par le contrôle des tensions positive et négative de la grille. Lorsque la tension de grille est positive, le transistor Darlington, composé du transistor à grille géante et du transistor MOSFET, est conducteur ; lorsque la tension de grille est négative, il est bloqué, c'est-à-dire inopérant. Le schéma équivalent du circuit de commande d'IGBT est illustré à la figure 2. Ce circuit permet d'amplifier la puissance de sortie d'un micro-ordinateur monopuce pour commander indirectement les dispositifs de puissance IGBT. La courbe caractéristique volt-ampère est similaire à celle du transistor géant bipolaire IGBT. Lorsque la tension de commande UGE augmente, la courbe caractéristique s'élève. La modification du niveau d'UGE permet de contrôler l'état de l'IGBT (état bloqué, état de saturation), ce qui le rend souvent utilisé pour la commutation d'alimentation.  

Le principe de fonctionnement de l'IGBT   L'IGBT peut être considéré comme un transistor PNP (piloté par un MOSFET). Comparée à un transistor PNP classique, sa base est plus épaisse. Le circuit équivalent est illustré à la figure 1(b). Sur cette figure, RN représente la résistance de modulation de la base du transistor PNP, et le MOSFET est un transistor à effet de champ à canal N. L'IGBT présentant cette structure est appelé IIGBT à canal N, et son symbole est N-IGBT. De même, il existe des IGBT à canal P, appelés P-IGBT. Le symbole graphique électrique de l'IGBT est illustré à la figure 1(c). L'IGBT est un dispositif de contrôle de champ, dont la conduction et le blocage sont déterminés par la tension UCE entre la grille et l'émetteur. Si la tension de conduction UCE(th) est inférieure à la tension grille-émetteur UCE et que la tension de grille est positive, le transistor PNP reçoit le courant dans le canal interne du MOSFET et l'IGBT devient passant. À ce stade, les porteurs entrant dans la région N depuis la région P+ modulent la conductivité de cette région. La résistance RN (région N) diminue progressivement et l'IGBT subit une chute de tension à l'état passant plus faible. Si la tension grille-émetteur UCE est nulle ou inverse, aucun canal ne se forme dans le MOSFET, aucun porteur n'entre dans la région N depuis la région P+ pour moduler la conductivité de cette région, et le transistor est dépourvu de courant de base. L'IGBT se bloque donc lorsqu'il ne fonctionne pas. Le principe de fonctionnement de l'IGBT est le suivant : lorsque l'UCE est négative, la jonction J3 est en polarisation inverse et le dispositif est en blocage inverse. Lorsque UCE est positif : UC< UTH, le canal ne peut pas être formé et le dispositif est dans un état de blocage vers l'avant ; UG> UTH, sous la grille isolée, un canal N est formé et, en raison de l'interaction des porteurs, une modulation de conductance est générée dans la région N, ce qui fait que le dispositif conduit vers l'avant.   1. rupture  
La différence entre la structure d'une plaquette de silicium et celle d'un MOSFET de puissance est que l'IGBT possède plus de substrat P+ et une couche tampon N+ que le MOSFET de puissance (l'IGBT n'a pas de structure NPT non perforée), et une jonction J1 est établie entre la région P_ et la région N+ du corps du tube en utilisant le substrat. Si la polarisation positive de la grille inverse la région de base P sous la grille, un canal N se forme à l'intérieur de l'IGBT. Un flux d'électrons et un courant se forment alors dans le canal. Lorsque la tension du courant électronique formé est de l'ordre de 0.7 V, J1, établi dans les régions P_ et N+, est en polarisation directe, et certains trous pénètrent dans la région N-, ce qui modifie la résistivité entre les régions N- et N+. Ce réglage réduit la consommation d'énergie de la conduction de l'IGBT et stimule le second flux de charge. Deux topologies de courant différentes, un courant d'électrons MOSFET et un courant de trous (bipolaire), apparaissent temporairement dans le semi-conducteur.  
2. Chute de tension de conduction  
L'effet de modulation de conductance peut réduire la valeur de la résistance RN et la tension à l'état passant. La chute de tension dite à l'état passant fait référence à la chute de tension du tube UDS lorsque l'IGBT entre dans l'état passant, et cette tension diminue à mesure que l'UCS augmente.  
3. éteindre  
Lorsqu'une tension de polarisation négative est appliquée à la grille ou que la tension de grille est inférieure à la valeur seuil, aucun canal ne sera formé et aucun trou n'entrera dans la région N. Dans tous les cas, si le courant du MOSFET chute trop rapidement lors de la commutation, le courant du collecteur diminue. À ce stade, après le début de la commutation, il reste encore quelques porteurs dans la région N. La densité de charge à la mise hors tension affectera directement la réduction de la valeur du courant résiduel. La densité de charge est liée au nombre et à la topologie des impuretés, à l'épaisseur et à la température des couches, etc. Par conséquent, la réduction de la valeur du courant résiduel (sillage) est affectée par de nombreux facteurs et incertaine. Le courant du collecteur est affecté par la désintégration de certains porteurs résiduels dans la région N, et la forme d'onde de sillage caractéristique apparaît. Le sillage caractéristique du collecteur entraînera des problèmes tels qu'une consommation d'énergie élevée et une conduction désordonnée. Ce type de problème sera plus important dans l'équipement de diode de roue libre. Étant donné que le courant résiduel est étroitement lié à la recombinaison des porteurs minoritaires, la valeur actuelle du courant résiduel devrait avoir une relation importante avec Tc, IC, UCE et la mobilité des trous de la puce.
4. Blocage inversé 
Si le collecteur reçoit la tension inverse, la jonction J de la région P_ et de la région N+ sera affectée par la tension de polarisation inverse. Dans le même temps, la capacité de blocage sera perdue car l'épaisseur de la couche diminue trop et la couche d'appauvrissement s'étendra jusqu'à la région N. De plus, si la taille de la région augmente au-delà d’une certaine valeur, la chute de tension augmentera continuellement. 
5. Blocage avant  
Si la borne du collecteur reçoit une tension positive et que la grille et l'émetteur sont en court-circuit, la jonction J entre la région P_ et la région N+ est contrôlée par une tension inverse.  
6. loquet  
Le thyristor PNPN est parasite entre le collecteur et l'émetteur de l'ICBT. Le phénomène de conduction du thyristor est appelé verrouillage IGBT. Dans certaines conditions, le thyristor PNPN conduira, le courant entre le collecteur et l'émetteur augmentera et la capacité de contrôler le MOSFET équivalent diminuera, ce qui conduit souvent à la panne de l'appareil.   Et l'histoire du développement des puces IGBT dans les véhicules électriques.   En regardant le développement des dispositifs électriques au cours des dernières décennies, dans les années 1960, les dispositifs bipolaires avaient une faible résistance à l'état passant, un contrôle de courant et un circuit de contrôle compliqués et une consommation d'énergie élevée. Avec le développement de l'industrie, les exigences de simplification du circuit de commande, de réduction des coûts de fabrication, de consommation d'énergie de commutation et de chute de tension à l'état passant sont proposées aux cercles universitaires. Dans les années 1990, l'IGBT a été fabriqué dans le cadre de la recherche sur la technologie d'intégration MOS et BJT. L'émergence des IGBT n'est pas destinée aux véhicules électriques. Cependant, avec la dégradation de l'environnement mondial, les véhicules électriques se sont développés et les IGBT ont progressivement commencé à être utilisés dans les secteurs de l'automobile, des transports, etc. Avec le développement commun des véhicules électriques et des IGBT, les puces IGBT sont devenues un composant indispensable des véhicules électriques. Le processus de développement des puces IGBT pour véhicules électriques est illustré dans la figure 3. Première génération : le prototype d'IGBT, qui nécessite une amélioration de la tension de tenue en augmentant la dérive N, présente une consommation à l'arrêt et une résistance à l'état passant élevées. En raison de ces facteurs, la première génération d'IGBT a été abandonnée en laboratoire et n'a pas connu une large diffusion. Deuxième génération : PT-IGBT. La couche d'appauvrissement ne pénètre pas la couche tampon N+, et le champ électrique dans la région de base est renforcé selon une distribution trapézoïdale. La consommation d'énergie est réduite grâce à la réduction de l'épaisseur de la puce. Siemens était la société représentative qui produisait des dispositifs IGBT à cette époque. À la fin du 20ème siècle, le BSM150GB120DN1(DN1 signifie produit de première génération) produit par Siemens a de bonnes performances à une tension de 600 V, mais lorsque la tension monte à 1200 XNUMX V, l'épaisseur épitaxiale devient plus grande, le coût est relativement élevé, et la fiabilité diminue (l'uniformité de la concentration et de l'épaisseur du dopage est mauvaise). Troisième génération : NPT-IGBT. La technologie d'implantation ionique remplace la technologie épitaxiale pour générer un collecteur P+ (technologie de collecteur transparent), capable de contrôler efficacement la profondeur de jonction et de garantir une efficacité d'émission minimale. La perte de désactivation est réalisée en accélérant l’extraction du porteur. La durée de vie initiale du porteur de la région de base n'est pas affectée, et l'influence sur la consommation d'énergie en régime permanent est quasiment négligeable. L'IGBT présente actuellement un coefficient de température positif et offre d'excellentes performances entre les pertes en régime permanent et les pertes à l'arrêt. À l'heure actuelle, la société représentative de l'IGBT est toujours Siemens, qui adopte la méthode de fusion de zone pour remplacer les produits par lots étendus. Quatrième génération : IGBT à tranchées. Cette quatrième génération présente une nette amélioration par rapport aux précédentes. Cette fois, la structure à tranchées est utilisée et le canal passe de la surface précédente à la surface verticale, ce qui renforce l'effet PIN dans la région de base, augmente la concentration de porteurs près de la grille, améliore dans une certaine mesure l'effet de modulation de conductance, réduit la résistance à l'état passant et élimine l'effet JFET. La densité de grille peut être augmentée selon les besoins. De plus, la quatrième génération continue d'hériter de la technologie de collecteur P+Implicit de la troisième génération et introduit la technologie PT comme couche d'arrêt de champ, ce qui améliore la tension de tenue. Infineon a remplacé Siemens en tant qu'entreprise leader et sa technologie d'amincissement était à l'époque la première au monde. A 1200 V, son épaisseur pourrait être comprise entre 120 et 140 um, et à 600 V, elle pourrait être inférieure à 70 um. La cinquième et la sixième génération : la cinquième génération FS-IGBT et la sixième génération FS-Trench sont la recombinaison de diverses mesures techniques basées sur les quatre technologies précédentes. L'IGBT de cinquième génération est la combinaison du produit de quatrième génération « technologie de collecteur transparent » et de la « technologie d'arrêt du champ électrique ». La différence entre le produit de sixième génération et le produit de cinquième génération réside dans le fait que la structure de la porte de tranchée est améliorée. Dans le domaine des véhicules électriques, l'IGBT est utilisé comme dispositif principal des nouveaux dispositifs semi-conducteurs de puissance, qui sont largement utilisés dans le transport ferroviaire, les véhicules à énergie nouvelle et d'autres domaines. À l'heure actuelle, avec le rythme de vie accéléré, le marché impose des exigences plus élevées en matière de puissance, de sécurité et de prix des véhicules à énergie nouvelle, et la densité de courant, la perte de puissance et la stabilité de l'IGBT jouent un rôle important.

Le développement des véhicules électriques est étroitement lié au développement des modules IGBT, et les véhicules électriques, les bornes de recharge et les équipements associés sont tous indissociables du support de la technologie IGBT. Dans le coût de production des véhicules électriques, les modules IGBT représentent plus de 10 %, soit près de 1/5 du coût de production des bornes de recharge. Dans le domaine des véhicules électriques, l'IGBT est principalement utilisé dans les domaines suivants : 1. Système de contrôle des véhicules électriques. La technologie IGBT permet de contrôler les onduleurs CC/CA haute puissance, puis de contrôler le fonctionnement du moteur. Le convertisseur est le composant principal de la traction dans les systèmes d'entraînement CA, et l'IGBT est le composant clé du convertisseur de traction. 2. Le système de contrôle de la climatisation du véhicule utilise IGBT et FRD à faible courant pour contrôler l'onduleur CC/CA à faible puissance. 3. Le module IGBT de la pile de charge est utilisé comme élément de commutation dans la pile de charge intelligente.
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L'IGBT offre d'excellentes performances en termes de densité de courant élevée, d'optimisation des faibles pertes, de haute température et de haute tension, ainsi que d'intégration intelligente. Largement utilisé dans les modules de puissance des véhicules à énergies nouvelles, il offre de belles perspectives. Cependant, pour réaliser l'application à grande échelle de la technologie d'optimisation des puces IGBT pour les véhicules électriques, il est nécessaire d'optimiser davantage la finesse, la résistance aux hautes températures et aux hautes pressions et la technologie d'intégration multifonctionnelle de la grille de tranchée.

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