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इलेक्ट्रिक वाहन आईजीबीटी प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग और विकास के बारे में बात करें
20वीं सदी के मध्य में विद्युत उपकरणों का आगमन हुआ। लगभग 30 वर्षों के विकास के बाद, MOS और BJT तकनीक के संयोजन से IGBT तकनीक का जन्म हुआ। निरंतर अद्यतन के बाद, आईजीबीटी का व्यापक रूप से वाहनों, वेल्डिंग, एयरोस्पेस और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाने लगा है। यह पत्र आईजीबीटी की संरचना और कार्य सिद्धांत का परिचय देता है, और इलेक्ट्रिक वाहनों के क्षेत्र में इसके अनुप्रयोग को स्पष्ट करता है, जो चिकित्सकों के लिए आईजीबीटी के सिद्धांत और इलेक्ट्रिक वाहनों के क्षेत्र में इसके तकनीकी विकास को पूरी तरह से समझने में सहायक है।ग्लोबल वार्मिंग और पर्यावरणीय गिरावट के बढ़ने के साथ, ऊर्जा संरक्षण और उत्सर्जन में कमी के दबाव को कम करने के लिए, चीन ने एक उच्च लक्ष्य रखा है। ऊर्जा बचत और उत्सर्जन में कमी के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, चीन नई ऊर्जा वाहनों के विकास का जोरदार समर्थन करता है। इलेक्ट्रिक वाहन पावरट्रेन का मुख्य ऊर्जा रूपांतरण इकाई ट्रैक्शन इन्वर्टर बैटरी से डीसी आउटपुट को तीन-चरण एसी में परिवर्तित कर सकता है। वाहन के बार-बार स्टार्ट-स्टॉप के कारण इन्वर्टर में पावर सेमीकंडक्टर डिवाइस विभिन्न प्रभाव बलों को सहन करने लगते हैं। इन्वर्टर का पावर घनत्व इलेक्ट्रिक वाहन के पावर आउटपुट से निकटता से संबंधित है। ऑटोमोटिव पावर मॉड्यूल के पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों में मुख्य रूप से सिलिकॉन कार्बाइड-आधारित पावर मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर और इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) शामिल हैं।
आईजीबीटी एक यौगिक पूर्णतः नियंत्रित वोल्टेज चालित पावर सेमीकंडक्टर उपकरण है, जो द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर और इंसुलेटेड गेट फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर से बना होता है, तथा इसमें उच्च इनपुट प्रतिबाधा और कम चालन वोल्टेज ड्रॉप के फायदे होते हैं। विशाल ट्रांजिस्टर का संतृप्ति वोल्टेज कम है, धारा घनत्व अधिक है, लेकिन कार्यशील धारा अधिक है। धातु अर्ध-प्रभाव ट्रांजिस्टर में कम कार्य शक्ति और तेज़ स्विचिंग गति होती है, लेकिन इसमें बड़ी स्विचिंग वोल्टेज ड्रॉप और कम धारा-वहन घनत्व होता है। आईजीबीटी चालू होने पर कम बिजली की खपत करता है, जिसे एक चालक माना जा सकता है, और बंद होने पर उच्च प्रतिरोध, जिसे एक खुला परिपथ माना जा सकता है। इसकी तीन विशेषताएँ हैं: उच्च वोल्टेज, उच्च धारा और उच्च गति, कम कार्य शक्ति और कम संतृप्ति वोल्टेज, और यह 600 वोल्ट या उससे अधिक के डीसी वोल्टेज वाले कनवर्टर सिस्टम के लिए उपयुक्त है। चूँकि इलेक्ट्रिक वाहनों में वोल्टेज प्रतिरोध, उच्च तापमान प्रतिरोध, ऊष्मा अपव्यय और विद्युत उपकरणों की स्थिरता के लिए उच्च आवश्यकताएं होती हैं, इसलिए IGBT का समग्र प्रदर्शन MOSFET ट्रांजिस्टर से बेहतर होता है। इसलिए, IGBT वर्तमान में इलेक्ट्रिक वाहनों के इन्वर्टर में मुख्यधारा का विद्युत उपकरण बन गया है और इसमें विकास की अपार संभावनाएं हैं। आईजीबीटी में एक ग्रिड जी, एक कलेक्टर सी और एक एमिटर ई होता है, और यह तीन-टर्मिनल वाला उपकरण है। आईजीबीटी में पी+ इम्प्लांटेशन क्षेत्रों की दो परतें होती हैं, जो एक बड़े पीएन जंक्शन जे1 का निर्माण करती हैं। जब IGBT को परिपथ से जोड़ा जाता है, तो इंजेक्शन क्षेत्र P+ से आधार क्षेत्र N तक कुछ वाहक उत्सर्जित होते हैं, जो बहाव क्षेत्र की चालकता को समायोजित कर सकते हैं। इसलिए, IGBT की धारा क्षमता प्रबल होती है। बफर क्षेत्र पी+ इम्प्लांट क्षेत्र और एन-बहाव क्षेत्र के बीच एक एन+ परत है। बफर में IGBT है या नहीं, यह अलग-अलग विशेषताओं को दर्शाता है। एन+ बफर वाले आईजीबीटी को असममित आईजीबीटी (जिसे पंच-थ्रू आईजीबीटी भी कहा जाता है) कहा जाता है, जिसमें छोटे फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप, शॉर्ट डॉग टर्न-ऑफ टाइम और बंद करते समय छोटे टेल करंट के फायदे होते हैं, लेकिन इसकी रिवर्स ब्लॉकिंग क्षमता अपेक्षाकृत कमजोर होती है। एन-बफर के बिना आईजीबीटी को सममित आईजीबीटी (जिसे नॉन-पंच-थ्रू आईजीबीटी भी कहा जाता है) कहा जाता है, जिसमें आगे और पीछे की दिशाओं में मजबूत अवरोधन क्षमता होती है, और इसकी अन्य विशेषताएं पंच-थ्रू आईजीबीटी की तुलना में खराब होती हैं।
IGBT ड्राइविंग सर्किट IGBT ड्राइविंग सर्किट GTR और MOSFET से बना एक डार्लिंगटन संरचना है, जो गेट के सकारात्मक और नकारात्मक वोल्टेज को नियंत्रित करके चालू और बंद होता है। जब गेट वोल्टेज सकारात्मक होता है, तो GTR और MOSFET से बना डार्लिंगटन ट्रांजिस्टर एक चालक अवस्था में होता है; जब गेट वोल्टेज नकारात्मक होता है, तो GTR और MOSFET से बना डार्लिंगटन ट्रांजिस्टर बंद अवस्था में होता है, अर्थात यह काम नहीं करता है। IGBT ड्राइव सर्किट का समतुल्य सर्किट आरेख चित्र 2 में दिखाया गया है। यह सर्किट अप्रत्यक्ष रूप से IGBT पावर उपकरणों को काम करने के लिए सिंगल चिप माइक्रोकंप्यूटर की पल्स आउटपुट पावर को बढ़ा सकता है। वोल्ट-एम्पीयर विशेषता वक्र IGBT द्विध्रुवी विशाल ट्रांजिस्टर के समान है।
सिलिकॉन वेफर और पावर MOSFET की संरचना के बीच अंतर यह है कि IGBT में पावर MOSFET की तुलना में अधिक P+ सब्सट्रेट और N+ बफर परत होती है (IGBT में कोई NPT- नॉन-पंच-थ्रू संरचना नहीं होती है), और सब्सट्रेट का उपयोग करके ट्यूब बॉडी के P_ क्षेत्र और N+ क्षेत्र के बीच एक J1 जंक्शन स्थापित किया जाता है। यदि धनात्मक गेट बायस, गेट के नीचे P आधार क्षेत्र को उलट देता है, तो IGBT के अंदर एक N चैनल बनेगा। इस समय, चैनल में एक इलेक्ट्रॉन प्रवाह और एक धारा उत्पन्न होगी। जब निर्मित इलेक्ट्रॉन धारा का वोल्टेज 0.7 V की सीमा के भीतर होता है, तो P_ क्षेत्र और N+ क्षेत्र में स्थापित J1 अग्र बायस में होता है, और कुछ छिद्र N- क्षेत्र में प्रवेश करते हैं, जिससे N- क्षेत्र और N+ क्षेत्र के बीच प्रतिरोधकता बदल जाती है। यह समायोजन विधि IGBT चालन की ऊर्जा खपत को कम करती है और द्वितीय आवेश प्रवाह को संचालित करती है। अर्धचालक में दो अलग-अलग धारा टोपोलॉजी, एक MOSFET इलेक्ट्रॉन धारा और एक छिद्र धारा (द्विध्रुवी), अस्थायी रूप से प्रकट होती हैं।
2. चालन वोल्टेज ड्रॉप
चालन मॉडुलन प्रभाव प्रतिरोध आरएन और ऑन-स्टेट वोल्टेज के मूल्य को कम कर सकता है। तथाकथित ऑन-स्टेट वोल्टेज ड्रॉप, ट्यूब वोल्टेज ड्रॉप UDS को संदर्भित करता है जब IGBT ऑन स्टेट में प्रवेश करता है, और यह वोल्टेज UCS के बढ़ने के साथ घटता है।
3. बंद
जब गेट पर एक नकारात्मक पूर्वाग्रह वोल्टेज लागू किया जाता है या गेट वोल्टेज थ्रेशोल्ड मान से कम होता है, तो कोई चैनल नहीं बनेगा और कोई छेद एन-क्षेत्र में प्रवेश नहीं करेगा। सभी मामलों में, यदि स्विचिंग चरण में MOSFET धारा बहुत तेज़ी से गिरती है, तो संग्राहक धारा भी कम हो जाएगी। इस समय, विनिमय शुरू होने के बाद भी, कुछ वाहक N क्षेत्र में बने रहते हैं। टर्न-ऑफ पर चार्ज का घनत्व सीधे अवशिष्ट वर्तमान मूल्य में कमी को प्रभावित करेगा। चार्ज घनत्व अशुद्धियों की संख्या और टोपोलॉजी, परतों की मोटाई और तापमान आदि से संबंधित है। इसलिए, अवशिष्ट वर्तमान मूल्य (वेक) को कम करना कई कारकों से प्रभावित होता है और अनिश्चित होता है। संग्राहक धारा एन क्षेत्र में कुछ अवशिष्ट वाहकों के क्षय से प्रभावित होती है, और विशिष्ट वेक तरंग प्रकट होती है। विशेषता कलेक्टर वेक उच्च बिजली की खपत और अव्यवस्थित संचालन जैसी समस्याएं पैदा करेगा। इस तरह की समस्या फ्रीव्हीलिंग डायोड के उपकरण में अधिक प्रमुख होगी। क्योंकि अवशिष्ट धारा अल्पसंख्यक वाहकों के पुनर्संयोजन से निकटता से संबंधित है, अवशिष्ट धारा के वर्तमान मूल्य का टीसी, आईसी, यूसीई और चिप की छेद गतिशीलता के साथ एक महत्वपूर्ण संबंध होना चाहिए।
4. रिवर्स ब्लॉकिंग
यदि कलेक्टर को रिवर्स वोल्टेज मिलता है, तो P_ क्षेत्र और N+ क्षेत्र का J जंक्शन रिवर्स बायस वोल्टेज से प्रभावित होगा। साथ ही, परत की मोटाई बहुत कम हो जाने के कारण अवरोधन क्षमता ख़त्म हो जाएगी और क्षय परत एन-क्षेत्र तक फैल जाएगी। इसके अलावा, यदि क्षेत्र का आकार एक निश्चित मूल्य से अधिक बढ़ जाता है, तो वोल्टेज ड्रॉप लगातार बढ़ जाएगा।
5. आगे अवरोधन
यदि कलेक्टर टर्मिनल को सकारात्मक वोल्टेज मिलता है और गेट और एमिटर छोटा हो जाता है, तो P_ क्षेत्र और N+ क्षेत्र के बीच J जंक्शन को रिवर्स वोल्टेज द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
6. कुंडी
पीएनपीएन थाइरिस्टर आईसीबीटी के संग्राहक और उत्सर्जक के बीच परजीवी है। थाइरिस्टर चालन घटना को आईजीबीटी लैच-अप कहा जाता है। कुछ निश्चित परिस्थितियों में, PNPN थाइरिस्टर संचालित होगा, कलेक्टर और एमिटर के बीच धारा बढ़ जाएगी, और समकक्ष MOSFET को नियंत्रित करने की क्षमता कम हो जाएगी, जो अक्सर डिवाइस के टूटने का कारण बनती है। और इलेक्ट्रिक वाहनों में आईजीबीटी चिप्स के विकास का इतिहास। पिछले दशकों में बिजली उपकरणों के विकास को देखते हुए, 1960 के दशक में, द्विध्रुवी उपकरणों में छोटे ऑन-स्टेट प्रतिरोध, जटिल वर्तमान नियंत्रण और नियंत्रण सर्किट और उच्च बिजली की खपत थी। उद्योग के विकास के साथ, ड्राइविंग सर्किट को सरल बनाने, विनिर्माण लागत को कम करने, बिजली की खपत को स्विच करने और ऑन-स्टेट वोल्टेज ड्रॉप की आवश्यकताओं को अकादमिक हलकों में आगे रखा गया है। 1990 के दशक में, MOS और BJT एकीकरण प्रौद्योगिकी के अनुसंधान की पृष्ठभूमि में IGBT का निर्माण किया गया था। आईजीबीटी का उद्भव इलेक्ट्रिक वाहनों की सेवा के लिए नहीं है। हालाँकि, वैश्विक पर्यावरण के बिगड़ने के साथ, इलेक्ट्रिक वाहनों का विकास हुआ है, और आईजीबीटी का धीरे-धीरे ऑटोमोबाइल, परिवहन आदि क्षेत्रों में उपयोग होने लगा है। इलेक्ट्रिक वाहनों और आईजीबीटी के साझा विकास के साथ, आईजीबीटी चिप्स इलेक्ट्रिक वाहनों का एक अनिवार्य हिस्सा बन गए हैं। इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए आईजीबीटी चिप्स की विकास प्रक्रिया चित्र 3 में दर्शाई गई है। पहली पीढ़ी: आईजीबीटी के प्रोटोटाइप में एन-ड्रिफ्ट बढ़ाकर सहनशील वोल्टेज में सुधार की आवश्यकता होती है, और इसकी ऑफ-पावर खपत और ऑन-प्रतिरोध उच्च होता है। उपरोक्त कारकों के कारण, पहली पीढ़ी के आईजीबीटी का प्रयोगशाला में उपयोग बंद हो गया और इसका व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया। दूसरी पीढ़ी: पीटी-आईजीबीटी। अवक्षय परत N+ बफर परत को भेदने में विफल रहती है, और आधार क्षेत्र में विद्युत क्षेत्र समलम्बाकार वितरण में प्रबल हो जाता है। चिप की मोटाई कम करके बिजली की खपत कम की जाती है। उस समय सीमेंस वह प्रतिनिधि कंपनी थी जो आईजीबीटी उपकरण बनाती थी। 20वीं सदी के अंत में, सीमेंस द्वारा निर्मित BSM150GB120DN1 (DN1 का मतलब पहली पीढ़ी का उत्पाद है) का 600V वोल्टेज पर अच्छा प्रदर्शन होता है, लेकिन जब वोल्टेज 1200 V तक बढ़ जाता है, तो एपिटैक्सियल मोटाई बड़ी हो जाती है, लागत अपेक्षाकृत अधिक होती है, और विश्वसनीयता कम हो जाती है (डोपिंग एकाग्रता और मोटाई की एकरूपता खराब है)। तीसरी पीढ़ी: एनपीटी-आईजीबीटी। आयन इम्प्लांटेशन तकनीक, एपिटैक्सियल तकनीक की जगह लेती है और पी+ कलेक्टर (पारदर्शी कलेक्टर तकनीक) उत्पन्न करती है, जो जंक्शन की गहराई को अच्छी तरह से नियंत्रित कर सकती है और यथासंभव न्यूनतम उत्सर्जन दक्षता सुनिश्चित कर सकती है। वाहक निष्कर्षण में तेजी लाने से टर्न-ऑफ हानि का एहसास होता है। आधार क्षेत्र का मूल वाहक जीवनकाल मूलतः प्रभावित नहीं होता है, और स्थिर-अवस्था विद्युत खपत पर प्रभाव लगभग नगण्य होता है। इस समय, IGBT में धनात्मक तापमान गुणांक की विशेषता होती है, और स्थिर-अवस्था हानि और टर्न-ऑफ हानि के बीच अच्छा प्रदर्शन करता है। इस समय, आईजीबीटी की प्रतिनिधि कंपनी अभी भी सीमेंस है, जो विस्तारित बैच उत्पादों को बदलने के लिए ज़ोन पिघलने की विधि को अपनाती है। चौथी पीढ़ी: ट्रेंच-आईजीबीटी। पिछली पीढ़ी की तुलना में चौथी पीढ़ी में काफी सुधार हुआ है। इस बार, ट्रेंच संरचना का उपयोग किया जाता है, और चैनल पिछली सतह से ऊर्ध्वाधर सतह पर चला जाता है, जिससे आधार क्षेत्र में पिन प्रभाव बढ़ता है, गेट के पास वाहकों की सांद्रता बढ़ती है, चालकता मॉडुलन प्रभाव में कुछ हद तक सुधार होता है, ऑन-प्रतिरोध कम होता है और जेएफईटी प्रभाव समाप्त होता है। आवश्यकतानुसार गेट घनत्व बढ़ाया जा सकता है। इसके अलावा, चौथी पीढ़ी तीसरी पीढ़ी की कलेक्टर पी+इम्प्लिसिट तकनीक को विरासत में लेना जारी रखती है, और पीटी तकनीक को फील्ड स्टॉप लेयर के रूप में पेश करती है, जो झेलने वाले वोल्टेज में सुधार करती है। इन्फिनियन ने सीमेंस को अग्रणी उद्यम के रूप में प्रतिस्थापित किया, और इसकी थिनिंग तकनीक उस समय दुनिया में पहली थी। 1200 V पर, इसकी मोटाई 120 और 140 um के बीच हो सकती है, और 600V पर, यह 70 um से कम हो सकती है। पांचवीं और छठी पीढ़ी: पांचवीं पीढ़ी एफएस-आईजीबीटी और छठी पीढ़ी एफएस-ट्रेंच पिछली चार प्रौद्योगिकियों पर आधारित विभिन्न तकनीकी उपायों का पुनर्संयोजन हैं। पांचवीं पीढ़ी का आईजीबीटी चौथी पीढ़ी के उत्पाद "पारदर्शी कलेक्टर प्रौद्योगिकी" और "इलेक्ट्रिक फील्ड स्टॉप प्रौद्योगिकी" का संयोजन है। छठी पीढ़ी के उत्पाद और पांचवीं पीढ़ी के उत्पाद के बीच अंतर यह है कि ट्रेंच गेट संरचना में सुधार हुआ है। इलेक्ट्रिक वाहनों के क्षेत्र में, आईजीबीटी का उपयोग नए पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के मुख्यधारा उपकरण के रूप में किया जाता है, जिसका व्यापक रूप से रेल पारगमन, नई ऊर्जा वाहनों और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है। वर्तमान में, जीवन की त्वरित गति के साथ, बाजार नई ऊर्जा वाहनों की शक्ति, सुरक्षा और कीमत के लिए उच्च आवश्यकताओं को आगे रखता है, और आईजीबीटी की वर्तमान घनत्व, बिजली की हानि और स्थिरता एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।
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आईजीबीटी ने उच्च धारा घनत्व, कम हानि अनुकूलन प्रौद्योगिकी, उच्च तापमान और उच्च वोल्टेज प्रौद्योगिकी और बुद्धिमान एकीकरण प्रौद्योगिकी में अच्छा प्रदर्शन किया है। इसका व्यापक रूप से नए ऊर्जा वाहनों के पावर मॉड्यूल में उपयोग किया गया है और इसकी अच्छी संभावनाएं हैं। हालांकि, इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए आईजीबीटी चिप अनुकूलन प्रौद्योगिकी के बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग का एहसास करने के लिए, ट्रेंच गेट की सुंदरता, उच्च तापमान और उच्च दबाव प्रतिरोध और बहु-कार्यात्मक एकीकरण प्रौद्योगिकी को और अधिक अनुकूलित करना आवश्यक है।
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