התקני חשמל הופיעו באמצע המאה ה-20. לאחר כמעט 30 שנות פיתוח, השילוב של טכנולוגיית MOS ו-BJT הוליד את טכנולוגיית IGBT. לאחר עדכון מתמשך, IGBT נמצא בשימוש נרחב בכלי רכב, ריתוך, תעופה וחלל ותחומים אחרים. מאמר זה מציג את המבנה ועקרון הפעולה של IGBT, ומסביר את יישומו בתחום כלי הרכב החשמליים, דבר המסייע לאנשי מקצוע להבין באופן מלא את עקרון ה-IGBT ואת הפיתוח הטכני שלו בתחום כלי הרכב החשמליים.עם החמרת ההתחממות הגלובלית וההידרדרות הסביבתית, על מנת להקל על הלחץ של שימור אנרגיה והפחתת פליטות, סין הציגה יעד גבוה. על מנת להשיג את המטרה של חיסכון באנרגיה והפחתת פליטות, סין תומכת במרץ בפיתוח של רכבי אנרגיה חדשים. מהפך יחידת המשיכה של יחידת המרת אנרגיית הליבה של מערכת הינע לרכב חשמלי יכול להמיר את תפוקת ה-DC מהסוללה ל-AC תלת פאזי. עצירת ההתנעה התכופה של הרכב גורמת להתקני מוליכים למחצה הכוח במהפך לשאת כוחות פגיעה שונים. צפיפות ההספק של המהפך קשורה קשר הדוק לתפוקת הכוח של רכב חשמלי. התקני מוליכים למחצה להספק של מודולי כוח לרכב כוללים בעיקר טרנזיסטורים אפקט שדה של מוליכים למחצה מבוססי סיליקון קרביד מסוג תחמוצת מתכת וטרנזיסטור דו קוטבי מבודד (IGBT).

IGBT שייך להתקני מוליכים למחצה מורכבים המונעים במתח מלא, המורכבים מטרנזיסטור דו קוטבי וטרנזיסטור אפקט שדה שער מבודד, ויש להם יתרונות של עכבת קלט גבוהה וירידת מתח הולכה נמוכה. מתח הרוויה של טרנזיסטור ענק נמוך, צפיפות הזרם גבוהה, אך זרם העבודה גבוה. לטרנזיסטור חצי אפקט מתכת יש כוח עבודה נמוך ומהירות מיתוג מהירה, אבל יש לו מפל מתח מיתוג גדול וצפיפות זרם נמוכה. ל-IGBT צריכת חשמל נמוכה לאחר הדלקה, שניתן להתייחס אליה כמוליך, והתנגדות גבוהה בעת כיבוי, שניתן להתייחס אליה כמעגל פתוח. יש לו שלושה מאפיינים: מתח גבוה, זרם גבוה ומהירות גבוהה, הספק עבודה נמוך ומתח רוויה נמוך, והוא מתאים למערכות ממירים עם מתח DC של 600 וולט ומעלה. מכיוון שלרכבים חשמליים יש דרישות גבוהות לעמידות מתח, עמידות לטמפרטורה גבוהה, פיזור חום ויציבות של התקני חשמל, ל-IGBT ביצועים מקיפים טובים יותר מאשר טרנזיסטורי MOSFET. לכן, IGBT הפך להתקני החשמל המרכזיים בממיר של כלי רכב חשמליים כיום, ויש לו פוטנציאל פיתוח גדול. ל-IGBT יש רשת G, קולט C ופולט E, והוא התקן בעל שלושה הדקים. ל-IGBT שתי שכבות של אזורי השתלה של P+, היוצרים צומת PN גדולה יותר J1. כאשר ה-IGBT מחובר למעגל, נפלטים גלים נושאי מטען מאזור ההזרקה P+ לאזור הבסיס N, מה שיכול להתאים את המוליכות של אזור הסחיפה. לכן, ל-IGBT יש קיבולת זרם חזקה. אזור החיץ הוא שכבת N+ בין אזור השתל P+ לאזור N- סחיפה. האם יש IGBT במאגר או לא מראה על מאפיינים שונים. IGBT עם חיץ N+ נקרא IGBT אסימטרי (נקרא גם IGBT דחיפה), שיש לו יתרונות של ירידת מתח קדמית קטנה, זמן כיבוי קצר של הכלי וזרם זנב קטן בעת כיבוי, אך יכולת החסימה ההפוכה שלו חלשה יחסית. IGBT ללא חוצץ N נקרא IGBT סימטרי (נקרא גם IGBT שאינו מנקב), בעל יכולת חסימה חזקה בכיוונים קדימה ואחורה, ומאפייניו האחרים גרועים יותר מאלה של IGBT מנקב.

  מעגל הנעה של IGBT   מעגל הנעת IGBT הוא מבנה דרלינגטון המורכב מ-GTR ו-MOSFET, המופעל ונכבה על ידי שליטה במתח החיובי והשלילי של השער. כאשר מתח השער חיובי, טרנזיסטור הדרלינגטון המורכב מ-GTR ו-MOSFET נמצא במצב מוליך; כאשר מתח השער שלילי, טרנזיסטור הדרלינגטון המורכב מ-GTR ו-MOSFET נמצא במצב כבוי, כלומר, הוא אינו פועל. דיאגרמת המעגל המקבילה של מעגל הנעת IGBT מוצגת באיור 2. מעגל זה יכול להגביר את הספק היציאה של הדופק של מיקרו-מחשב בעל שבב יחיד כדי להניע בעקיפין התקני כוח IGBT לעבודה. עקומת המאפיין של וולט-אמפר דומה לזו של טרנזיסטור ענק דו-קוטבי של IGBT. כאשר מתח הבקרה UGE עולה, עקומת המאפיין נעה כלפי מעלה. שינוי רמת ה-UGE יכול לשלוט במצב ה-IGBT (מצב כבוי, מצב רוויה), ולכן הוא משמש לעתים קרובות במיתוג ספק כוח.  

עקרון העבודה של IGBT   ניתן להתייחס ל-IGBT כטרנזיסטור PNP (מונע על ידי MOSFET). בהשוואה לטרנזיסטור PNP רגיל, אזור הבסיס שלו עבה יותר. המעגל המקביל מוצג באיור 1(ב). באיור, RN הוא נגד המודולציה באזור הבסיס של טרנזיסטור PNP, ו-MOSFET הוא טרנזיסטור אפקט שדה מסוג N-channel. ה-IGBT בעל מבנה זה נקרא IIGBT מסוג N-channel, וסמלו הוא N-IGBT. באופן דומה, ישנם IGBT מסוג P, כלומר P-IGBT. הסמל הגרפי החשמלי של IGBT מוצג באיור 1(ג). IGBT הוא התקן בקרת שדה, והדלקה וכיבוי שלו נקבעים על ידי המתח UCE בין השער לפולט. אם מתח הדלקה UCE(th) נמוך ממתח השער-פלוט UCE ומתח השער חיובי, טרנזיסטור ה-PNP מקבל את הזרם בערוץ הפנימי של ה-MOSFET, וה-IGBT נדלק. בשלב זה, נושאי הגלילים הנכנסים לאזור N מאזור P+ מווסתים את המוליכות של אזור N, וההתנגדות RN(אזור N) תפחת בהדרגה, וה-IGBT יקבל ירידת מתח קטנה יותר במצב פעולה. אם מתח השער-פולט UCE שווה לאפס או למתח הפוך, לא ייווצר תעלה ב-MOSFET, לא ייכנס נושא גלילים לאזור N מאזור P+ כדי לווסת את המוליכות של אזור N, ולא יהיה זרם בסיס בטרנזיסטור, כך שה-IGBT יכבה כאשר הוא לא פועל. עקרון ההנעה של IGBT הוא כדלקמן. כאשר UCE שלילי: צומת J3 נמצאת במצב הטיה הפוכה וההתקן נמצא במצב חסימה הפוכה. כאשר UCE חיובי: UC< UTH, לא ניתן ליצור את התעלה, וההתקן נמצא במצב חסימה קדימה; UG> UTH, מתחת לשער המבודד, נוצרת תעלה N, ובשל האינטראקציה בין נושאי הגלילים, נוצרת אפנון מוליכות באזור N, מה שגורם להתקן להוליך קדימה.   1. שבירה  
ההבדל בין מבנה פרוסות סיליקון לבין רכיב MOSFET בהספק הוא של-IGBT יש יותר מצע P+ ושכבת חיץ N+ בהשוואה ל-MOSFET בהספק (ל-IGBT אין מבנה NPT שאינו מנקב), וצומת J1 נוצרת בין אזור P_ לאזור N+ של גוף הצינור באמצעות המצע. אם ההטיה החיובית של השער הופכת את אזור הבסיס P מתחת לשער, תיווצר תעלת N בתוך ה-IGBT. בשלב זה, תיווצר זרימת אלקטרונים וזרם בתעלה. כאשר מתח זרם האלקטרונים שנוצר נמצא בטווח של 0.7 וולט, J1 שנוצר באזור P_ ובאזור N+ נמצא במוטה קדימה, וכמה חורים נכנסים לאזור N-, מה שישנה את ההתנגדות בין אזור N- לאזור N+. שיטת כוונון זו מפחיתה את צריכת האנרגיה של הולכת IGBT ומניעה את זרימת המטען השנייה. שתי טופולוגיות זרם שונות, זרם אלקטרונים אחד של MOSFET וזרם חור אחד (דו קוטבי), מופיעות באופן זמני במוליך למחצה.  
2. נפילת מתח הולכה  
אפקט אפנון המוליכות יכול להפחית את ערך ההתנגדות RN ואת המתח במצב במצב. ירידת המתח (UDS) במצב פעיל מתייחסת לירידת המתח של הצינור (UDS) כאשר ה-IGBT נכנס למצב פעיל, ומתח זה יורד ככל שה-UCS עולה.  
3. לכבות  
כאשר מתח הטיה שלילי מופעל על השער או שמתח השער נמוך מערך הסף, לא תיווצר ערוץ ולא ייכנסו חורים לאזור N-. בכל המקרים, אם זרם ה-MOSFET יורד מהר מדי בשלב המיתוג, זרם הקולקטור יקטן. בשלב זה, לאחר תחילת הקומוטציה, עדיין נשארים מספר נושאי גלים באזור N. צפיפות המטען בעת כיבוי תשפיע ישירות על הפחתת ערך הזרם השיורי. צפיפות המטען קשורה למספר ולטופולוגיה של זיהומים, לעובי ולטמפרטורת השכבות וכו'. לכן, הפחתת ערך הזרם השיורי (ערות) מושפעת מגורמים רבים ואינה ודאית. זרם האספן מושפע מהדעיכה של חלק מהנשאים שיוריים באזור N, ומופיעה צורת גל הערות האופיינית. ערות אספן אופיינית תגרום לבעיות כמו צריכת חשמל גבוהה והולכה לא מסודרת. בעיה מסוג זה תהיה בולטת יותר בציוד של דיודה חופשית. מכיוון שלזרם השיורי יש קשר הדוק לרקומבינציה של נושאי מיעוט, הערך הנוכחי של הזרם השיורי צריך להיות בעל קשר חשוב עם Tc, IC, UCE וניידות החורים של השבב.
4. חסימה הפוכה 
אם הקולט מקבל את המתח ההפוך, צומת J של אזור P_ ואזור N+ יושפע ממתח ההטיה ההפוכה. יחד עם זאת, יכולת החסימה תאבד בגלל שעובי השכבה יורד מדי, ושכבת הדלדול תתרחב לאזור N-. בנוסף, אם גודל האזור גדל מעבר לערך מסוים, ירידת המתח תגדל ברציפות. 
5. חסימה קדימה  
אם מסוף האספן מקבל מתח חיובי והשער והפולט מקוצרים, צומת J בין אזור P_ לאזור N+ נשלט על ידי מתח הפוך.  
6. בְּרִיחַ  
תיריסטור PNPN הוא טפיל בין הקולט והפולט של ICBT. תופעת הולכת התיריסטור נקראת IGBT latch-up. בתנאים מסוימים, התיריסטור PNPN יוליך, הזרם בין הקולט לפולט יגדל, ויכולת השליטה ב-MOSFET המקביל תפחת, מה שמוביל לעתים קרובות להתמוטטות המכשיר.   והיסטוריית הפיתוח של שבבי IGBT בכלי רכב חשמליים.   במבט לאחור על התפתחות מכשירי החשמל בעשורים האחרונים, בשנות ה-1960 של המאה ה-XNUMX, למכשירים דו-קוטביים הייתה התנגדות קטנה במצב, מעגל בקרה ובקרה זרם מסובך וצריכת חשמל גבוהה. עם התפתחות התעשייה, הדרישות של פישוט מעגל ההנעה, הפחתת עלות הייצור, מיתוג צריכת החשמל וירידת המתח במצב במצב מובאות בפני החוגים האקדמיים. בשנות ה-1990, IGBT יוצר על רקע מחקר טכנולוגיית אינטגרציה של MOS ו-BJT. הופעתו של IGBT אינה לשירות כלי רכב חשמליים. עם זאת, עם הידרדרות הסביבה העולמית, התפתחו כלי רכב חשמליים, ו-IGBT החל להיות מיושם בהדרגה בתחומי הרכב, התחבורה וכו'. עם הפיתוח המשותף של כלי רכב חשמליים ו-IGBT, שבבי IGBT הפכו לחלק בלתי נפרד מכלי רכב חשמליים. תהליך הפיתוח של שבבי IGBT עבור כלי רכב חשמליים מוצג באיור 3. הדור הראשון: אב הטיפוס של IGBT, אשר צריך לשפר את מתח העמידה על ידי הגדלת סחף ה-N, בעל צריכת חשמל גבוהה במצב כיבוי והתנגדות גבוהה במצב פעיל. בשל הגורמים הנ"ל, ה-IGBT מהדור הראשון נעצר במעבדה ולא היה בשימוש נרחב. הדור השני: PT-IGBT. שכבת הדלדול אינה מצליחה לחדור את שכבת החיץ N+, והשדה החשמלי באזור הבסיס מתחזק בהתפלגות טרפזית. צריכת החשמל מצטמצמת על ידי הפחתת עובי השבב. סימנס הייתה החברה המייצגת שייצרה התקני IGBT באותה תקופה. בסוף המאה ה-20, ל-BSM150GB120DN1(DN1 מייצג את מוצר הדור הראשון) המיוצר על ידי סימנס יש ביצועים טובים במתח של 600V, אך כאשר המתח עולה ל-1200V, העובי האפיטקסיאלי הופך גדול יותר, העלות גבוהה יחסית, והאמינות יורדת (האחידות של ריכוז ועובי הסימום ירודה). הדור השלישי: NPT-IGBT. טכנולוגיית השתלת יונים מחליפה את טכנולוגיית האפיטקסיאלית ליצירת קולט P+ (טכנולוגיית קולט שקוף), שיכולה לשלוט היטב בעומק הצומת ולהבטיח את יעילות הפליטה הנמוכה ביותר האפשרית. אובדן כיבוי מתממש על ידי זירוז חילוץ הספקים. אורך חיי הגל המקורי של אזור הבסיס אינו מושפע באופן מהותי, וההשפעה על צריכת החשמל במצב יציב כמעט זניחה. נכון לעכשיו, ל-IGBT יש מאפיינים של מקדם טמפרטורה חיובי, והוא מתפקד היטב בין הפסד במצב יציב להפסד כיבוי. נכון לעכשיו, החברה המייצגת של IGBT היא עדיין סימנס, המאמצת שיטת התכת אזורית כדי להחליף את מוצרי האצווה המורחבת. הדור הרביעי: Trench-IGBT. לדור הרביעי יש שיפור משמעותי בהשוואה לעבר. הפעם נעשה שימוש במבנה Trench, והתעלה עוברת מהמשטח הקודם למשטח האנכי, מה שמשפר את אפקט ה-PIN באזור הבסיס, מגדיל את ריכוז הנשאים ליד השער, משפר במידה מסוימת את אפקט המודולציה של המוליכות, מפחית את ההתנגדות במצב פעיל ומבטל את אפקט JFET. ניתן להגדיל את צפיפות השער לפי הצורך. בנוסף, הדור הרביעי ממשיך לרשת את טכנולוגיית הקולטור P+Implicit של הדור השלישי, ומציג את טכנולוגיית PT כשכבת עצירת השדה, המשפרת את מתח העמידות. אינפיניון החליפה את סימנס כמיזם המוביל, וטכנולוגיית הדליל שלה הייתה הראשונה בעולם באותה תקופה. ב-1200 וולט, העובי שלו יכול להיות בין 120 ל-140 אום, וב-600 וולט הוא יכול להיות מתחת ל-70 אום. הדור החמישי והשישי: FS-IGBT מהדור החמישי וה-FS-Trench מהדור השישי הם שילוב מחדש של מגוון אמצעים טכניים המבוססים על ארבע הטכנולוגיות הקודמות. דור ה-IGBT החמישי הוא שילוב של מוצר הדור הרביעי "טכנולוגיית קולט שקוף" ו"טכנולוגיית עצירת שדה חשמלי". ההבדל בין מוצר דור שישי למוצר דור חמישי הוא שמבנה שער התעלה משופר. בתחום כלי הרכב החשמליים, IGBT משמש כהתקן המרכזי של התקני מוליכים למחצה חדשים, הנמצא בשימוש נרחב בתחבורה ציבורית, כלי רכב אנרגיה חדשים ותחומים אחרים. כיום, עם קצב החיים המואץ, השוק מציב דרישות גבוהות יותר לעוצמה, לבטיחות ולמחיר של כלי רכב אנרגיה חדשים, וצפיפות הזרם, אובדן ההספק והיציבות של IGBT ממלאים תפקיד חשוב.

פיתוח כלי רכב חשמליים קשור קשר הדוק לפיתוח מודולי IGBT, וכלי רכב חשמליים, ערימות טעינה וציוד נלווה כולם בלתי נפרדים מהתמיכה של טכנולוגיית IGBT. בעלות הייצור של כלי רכב חשמליים, מודולי IGBT מהווים יותר מ-10%, המהווים כמעט חמישית מעלות הייצור של ערימות טעינה. בתחום כלי הרכב החשמליים, IGBT משמש בעיקר בהיבטים הבאים: 1. מערכת בקרה של כלי רכב חשמליים טכנולוגיית IGBT משמשת לשליטה בממיר DC/AC בעל הספק גבוה ולאחר מכן לשליטה בפעולת המנוע. הממיר הוא רכיב הליבה של מערכת הנעת AC, ו-IGBT הוא הרכיב המרכזי של ממיר המשיכה. 2. מערכת בקרת מיזוג האוויר של הרכב משתמשת ב-IGBT ו-FRD עם זרם נמוך כדי לשלוט בממיר DC/AC בעל הספק נמוך. 3. מודול IGBT של ערימת טעינה משמש כאלמנט מיתוג בערימת טעינה חכמה.
תג 

ל-IGBT ביצועים טובים בצפיפות זרם גבוהה, טכנולוגיית אופטימיזציה של הפסדים נמוכים, טכנולוגיית טמפרטורה גבוהה ומתח גבוה וטכנולוגיית אינטגרציה חכמה. הוא נמצא בשימוש נרחב במודולי כוח של כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה ויש לו סיכויים טובים. עם זאת, כדי לממש את היישום בקנה מידה גדול של טכנולוגיית אופטימיזציה של שבבי IGBT עבור כלי רכב חשמליים, יש צורך לייעל עוד יותר את הדקיקות, העמידות לטמפרטורה גבוהה וללחץ גבוה וטכנולוגיית האינטגרציה הרב-תכליתית של שער התעלה.

כתב ויתור: מאמר זה משוכפל מ-"Semiconductor Online". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, ואינו מייצג את דעותיהם של Sacco Micro והתעשייה. זה מיועד רק להדפסה מחדש ולשיתוף כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני. נא לציין את המקור והמחבר המקורי בעת ההדפיסה המחודשת. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.

טל' חברה: +86-0755-83044319
פקס/פקס:+86-0755-83975897
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 מנהל Qiu
כתובת: חדר 809, בלוק C, בניין Zhantao Technology, מס' 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, שנזן