Perangkat daya muncul pada pertengahan abad ke-20. Setelah hampir 30 tahun pengembangan, kombinasi teknologi MOS dan BJT melahirkan teknologi IGBT. Setelah pembaruan berkelanjutan, IGBT telah digunakan secara luas dalam kendaraan, pengelasan, kedirgantaraan, dan bidang lainnya. Makalah ini memperkenalkan struktur dan prinsip kerja IGBT, dan menguraikan penerapannya di bidang kendaraan listrik, yang membantu praktisi untuk sepenuhnya memahami prinsip IGBT dan pengembangan teknisnya di bidang kendaraan listrik.Dengan semakin parahnya pemanasan global dan kerusakan lingkungan, Tiongkok telah menetapkan tujuan yang tinggi untuk mengurangi tekanan pada konservasi energi dan pengurangan emisi. Untuk mencapai tujuan penghematan energi dan pengurangan emisi, Tiongkok dengan penuh semangat mendukung pengembangan kendaraan energi baru. Inverter traksi unit konversi energi inti dari powertrain kendaraan listrik dapat mengubah output DC dari baterai menjadi AC tiga fase. Seringnya kendaraan start-stop menyebabkan perangkat semikonduktor daya di inverter menanggung berbagai gaya tumbukan. Kepadatan daya inverter erat kaitannya dengan keluaran daya kendaraan listrik. Perangkat semikonduktor daya pada modul daya otomotif terutama mencakup transistor efek medan semikonduktor oksida logam daya berbasis silikon karbida dan transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT).

IGBT termasuk dalam perangkat semikonduktor daya yang digerakkan oleh tegangan yang dikontrol sepenuhnya, yang terdiri dari transistor bipolar dan transistor efek medan gerbang terisolasi, dan memiliki keunggulan impedansi masukan yang tinggi dan penurunan tegangan konduksi yang rendah. Tegangan saturasi transistor raksasa rendah, rapat arus tinggi, namun arus kerja tinggi. Transistor setengah efek logam memiliki daya kerja yang rendah dan kecepatan peralihan yang cepat, tetapi memiliki penurunan tegangan peralihan yang besar dan kepadatan pembawa arus yang rendah. IGBT memiliki konsumsi daya yang rendah setelah dinyalakan, yang dapat dianggap sebagai konduktor, dan resistansi yang tinggi saat dimatikan, yang dapat dianggap sebagai rangkaian terbuka. IGBT memiliki tiga karakteristik: tegangan tinggi, arus tinggi, dan kecepatan tinggi, daya kerja rendah, dan tegangan saturasi rendah, serta cocok untuk sistem konverter dengan tegangan DC 600 V atau lebih. Karena kendaraan listrik memiliki persyaratan tinggi untuk resistansi tegangan, resistansi suhu tinggi, pembuangan panas, dan stabilitas perangkat daya, IGBT memiliki kinerja komprehensif yang lebih baik daripada transistor MOSFET. Oleh karena itu, IGBT telah menjadi perangkat daya utama dalam inverter kendaraan listrik saat ini, dan memiliki potensi pengembangan yang besar. IGBT memiliki grid G, kolektor C, dan emitor E, dan merupakan perangkat tiga terminal. IGBT memiliki dua lapisan daerah implantasi P+, yang membentuk sambungan PN J1 yang lebih besar. Ketika IGBT terhubung ke sirkuit, sejumlah pembawa dipancarkan dari daerah injeksi P+ ke daerah basis N, yang dapat menyesuaikan konduktivitas daerah drift. Oleh karena itu, IGBT memiliki kapasitas arus yang kuat. Daerah penyangga adalah lapisan N+ antara daerah implan P+ dan daerah N-drift. Ada atau tidaknya IGBT dalam buffer menunjukkan karakteristik yang berbeda. IGBT dengan buffer N+ disebut IGBT asimetris (juga disebut IGBT punch-through), yang memiliki kelebihan berupa penurunan tegangan maju yang kecil, waktu mati dog yang pendek, dan arus ekor yang kecil saat mati, tetapi kemampuan pemblokiran baliknya relatif lemah. IGBT tanpa penyangga N disebut IGBT simetris (juga disebut IGBT non-punch-through), yang memiliki kemampuan pemblokiran yang kuat dalam arah maju dan mundur, dan karakteristik lainnya lebih buruk daripada IGBT punch-through.

  Sirkuit penggerak IGBT   Rangkaian penggerak IGBT adalah struktur Darlington yang terdiri dari GTR dan MOSFET, yang dihidupkan dan dimatikan dengan mengendalikan tegangan positif dan negatif dari gerbang. Ketika tegangan gerbang positif, transistor Darlington yang terdiri dari GTR dan MOSFET berada dalam keadaan konduksi; Ketika tegangan gerbang negatif, transistor Darlington yang terdiri dari GTR dan MOSFET berada dalam keadaan mati, yaitu tidak bekerja. Diagram rangkaian ekivalen dari rangkaian penggerak IGBT ditunjukkan pada Gambar 2. Rangkaian ini dapat memperkuat daya keluaran pulsa dari komputer mikro chip tunggal untuk secara tidak langsung menggerakkan perangkat daya IGBT agar bekerja. Kurva karakteristik volt-ampere mirip dengan transistor raksasa bipolar IGBT. Ketika tegangan kontrol UGE meningkat, kurva karakteristik bergerak ke atas. Mengubah level UGE dapat mengendalikan keadaan IGBT (keadaan mati, keadaan saturasi), sehingga sering digunakan dalam pengalihan catu daya.  

Prinsip kerja IGBT   IGBT dapat dianggap sebagai transistor PNP (digerakkan oleh MOSFET). Dibandingkan dengan transistor PNP umum, daerah basisnya lebih tebal. Rangkaian ekivalen ditunjukkan pada Gambar 1(b). Pada gambar, RN adalah resistor modulasi di daerah basis transistor PNP, dan MOSFET adalah transistor efek medan kanal-N. IGBT dengan struktur ini disebut IIGBT kanal-N, dan simbolnya adalah N-IGBT. Demikian pula, ada IGBT kanal-P, yaitu P-IGBT. Simbol grafis listrik IGBT ditunjukkan pada gambar 1(c). IGBT adalah perangkat kontrol medan, dan turn-on dan turn-off-nya ditentukan oleh tegangan UCE antara gerbang dan emitor. Jika tegangan turn-on UCE(th) lebih kecil dari tegangan gerbang-emitor UCE dan tegangan gerbang positif, transistor PNP menerima arus di kanal internal MOSFET, dan IGBT menyala. Pada saat ini, pembawa muatan yang memasuki wilayah N- dari wilayah P+ memodulasi konduktivitas wilayah N-, dan resistansi RN(wilayah N-) akan menurun secara bertahap, sehingga IGBT akan mengalami penurunan tegangan on-state yang lebih kecil. Jika tegangan gerbang-emitor UCE sama dengan nol atau tegangan balik, tidak akan ada kanal yang terbentuk di MOSFET, tidak ada pembawa muatan yang akan memasuki wilayah N- dari wilayah P+ untuk memodulasi konduktivitas wilayah N-, dan tidak akan ada arus basis di transistor, sehingga IGBT akan mati ketika tidak berfungsi. Prinsip kerja IGBT adalah sebagai berikut. Ketika UCE negatif: sambungan J3 berada dalam kondisi bias balik dan perangkat berada dalam kondisi pemblokiran balik. Bila UCE positif: UC < UTH, Saluran tidak dapat dibentuk, dan perangkat berada dalam status pemblokiran maju; UG> UTH, Di bawah gerbang terisolasi, saluran N terbentuk, dan akibat interaksi pembawa, modulasi konduktansi dihasilkan di wilayah N, yang membuat perangkat menghantarkan maju.   1. perpisahan  
Perbedaan antara struktur wafer silikon dan MOSFET daya adalah bahwa IGBT memiliki lebih banyak substrat P+ dan lapisan penyangga N+ daripada MOSFET daya (IGBT tidak memiliki struktur NPT-non-punch-through), dan sambungan J1 dibuat antara daerah P_ dan daerah N+ dari badan tabung dengan menggunakan substrat. Jika bias gerbang positif membalikkan daerah basis P di bawah gerbang, kanal N akan terbentuk di dalam IGBT. Pada saat ini, aliran elektron dan arus akan terbentuk di kanal tersebut. Ketika tegangan arus elektron yang terbentuk berada dalam kisaran 0.7 V, J1 yang terbentuk di daerah P_ dan daerah N+ berada dalam bias maju, dan beberapa lubang masuk ke daerah N-, yang akan mengubah resistivitas antara daerah N- dan daerah N+. Metode penyesuaian ini mengurangi konsumsi energi konduksi IGBT dan mendorong aliran muatan kedua. Dua topologi arus yang berbeda, satu arus elektron MOSFET dan satu arus lubang (bipolar), muncul sementara di semikonduktor.  
2. Penurunan tegangan konduksi  
Efek modulasi konduktansi dapat menurunkan nilai resistansi RN dan tegangan on-state. Yang disebut penurunan tegangan pada keadaan aktif mengacu pada penurunan tegangan tabung UDS saat IGBT memasuki keadaan aktif, dan tegangan ini menurun seiring dengan naiknya UCS.  
3. penutup  
Ketika tegangan bias negatif diterapkan ke gerbang atau tegangan gerbang lebih rendah dari nilai ambang batas, tidak ada saluran yang terbentuk dan tidak ada lubang yang memasuki wilayah N-. Dalam semua kasus, jika arus MOSFET turun terlalu cepat pada tahap switching, arus kolektor akan berkurang. Saat ini, setelah pergantian dimulai, beberapa operator masih tetap berada di wilayah N. Kepadatan muatan pada saat turn-off akan berdampak langsung pada penurunan nilai arus sisa. Kepadatan muatan berkaitan dengan jumlah dan topologi pengotor, ketebalan dan suhu lapisan, dll. Oleh karena itu, penurunan nilai arus sisa (bangun) dipengaruhi oleh banyak faktor dan tidak pasti. Arus kolektor dipengaruhi oleh peluruhan beberapa pembawa sisa di wilayah N, dan bentuk gelombang bangun yang khas muncul. Karakteristik bangun kolektor akan menimbulkan masalah seperti konsumsi daya yang tinggi dan konduksi yang tidak teratur. Masalah seperti ini akan lebih menonjol pada peralatan dioda freewheeling. Karena arus sisa berkaitan erat dengan rekombinasi pembawa minoritas, nilai arus sisa harus memiliki hubungan penting dengan Tc, IC, UCE, dan mobilitas lubang chip.
4. Pemblokiran terbalik 
Jika kolektor mendapat tegangan balik, maka sambungan J daerah P_ dan daerah N+ akan terpengaruh oleh tegangan bias balik. Pada saat yang sama, kemampuan pemblokiran akan hilang karena ketebalan lapisan berkurang terlalu banyak, dan lapisan penipisan akan meluas ke wilayah N-. Selain itu, jika ukuran wilayah bertambah melebihi nilai tertentu, penurunan tegangan akan terus meningkat. 
5. Pemblokiran ke depan  
Jika terminal kolektor mendapat tegangan positif dan gerbang serta emitor dihubung pendek, sambungan J antara daerah P_ dan daerah N+ dikendalikan oleh tegangan balik.  
6. memalangi  
Thyristor PNPN bersifat parasit antara kolektor dan emitor ICBT. Fenomena konduksi thyristor disebut IGBT latch-up. Dalam kondisi tertentu, thyristor PNPN akan bekerja, arus antara kolektor dan emitor akan meningkat, dan kemampuan untuk mengontrol MOSFET setara akan menurun, yang sering menyebabkan kerusakan perangkat.   Dan sejarah pengembangan chip IGBT di kendaraan listrik.   Melihat kembali perkembangan perangkat listrik dalam beberapa dekade terakhir, pada tahun 1960-an, perangkat bipolar memiliki resistansi yang kecil, rangkaian kontrol dan kontrol arus yang rumit, dan konsumsi daya yang tinggi. Dengan berkembangnya industri, persyaratan untuk menyederhanakan rangkaian penggerak, mengurangi biaya produksi, mengalihkan konsumsi daya, dan penurunan tegangan dalam keadaan diajukan ke kalangan akademisi. Pada tahun 1990-an, IGBT diproduksi dengan latar belakang penelitian teknologi integrasi MOS dan BJT. Kemunculan IGBT bukan untuk kendaraan listrik. Namun, seiring memburuknya kondisi lingkungan global, kendaraan listrik telah berkembang, dan IGBT secara bertahap mulai diterapkan di bidang otomotif, transportasi, dan sebagainya. Dengan perkembangan umum kendaraan listrik dan IGBT, chip IGBT telah menjadi bagian tak terpisahkan dari kendaraan listrik. Proses pengembangan chip IGBT untuk kendaraan listrik ditunjukkan pada Gambar 3. Generasi pertama: prototipe IGBT, yang perlu meningkatkan tegangan tahan dengan meningkatkan N-drift, memiliki konsumsi daya mati dan resistansi hidup yang tinggi. Karena faktor-faktor di atas, IGBT generasi pertama berhenti di laboratorium dan tidak banyak digunakan. Generasi kedua: PT-IGBT. Lapisan deplesi gagal menembus lapisan penyangga N+, dan medan listrik di daerah dasar diperkuat dalam distribusi trapesium. Konsumsi daya berkurang dengan mengurangi ketebalan chip. Siemens merupakan perusahaan representatif yang memproduksi perangkat IGBT pada saat itu. Pada akhir abad ke-20, BSM150GB120DN1 (DN1 singkatan dari produk generasi pertama) yang diproduksi oleh Siemens memiliki kinerja yang baik pada tegangan 600V, namun ketika tegangan naik menjadi 1200 V, ketebalan epitaksi menjadi lebih besar, dan biayanya relatif tinggi, dan keandalannya menurun (keseragaman konsentrasi dan ketebalan doping buruk). Generasi ketiga: NPT-IGBT. Teknologi implantasi ion menggantikan teknologi epitaksial untuk menghasilkan kolektor P+ (teknologi kolektor transparan), yang dapat mengontrol kedalaman sambungan dengan baik dan memastikan efisiensi emisi serendah mungkin. Kehilangan turn-off diwujudkan dengan mempercepat ekstraksi pembawa. Masa pakai pembawa asli di wilayah basis pada dasarnya tidak terpengaruh, dan pengaruhnya terhadap konsumsi daya kondisi tunak hampir dapat diabaikan. Pada saat ini, IGBT memiliki karakteristik koefisien temperatur positif, dan berkinerja baik antara rugi-rugi kondisi tunak dan rugi-rugi mati. Saat ini, perusahaan perwakilan IGBT masih Siemens, yang mengadopsi metode peleburan zona untuk menggantikan produk batch yang diperluas. Generasi keempat: Trench-IGBT. Generasi keempat ini memiliki peningkatan yang signifikan dibandingkan generasi sebelumnya. Kali ini, struktur parit digunakan, dan kanal berpindah dari permukaan sebelumnya ke permukaan vertikal, yang meningkatkan efek PIN di wilayah basis, meningkatkan konsentrasi pembawa di dekat gerbang, meningkatkan efek modulasi konduktansi hingga batas tertentu, mengurangi resistansi aktif, dan menghilangkan efek JFET. Kepadatan gerbang dapat ditingkatkan sesuai kebutuhan. Selain itu, generasi keempat terus mewarisi teknologi kolektor P+Implis dari generasi ketiga, dan memperkenalkan teknologi PT sebagai lapisan penghenti medan, yang meningkatkan tegangan penahan. Infineon menggantikan Siemens sebagai perusahaan terkemuka, dan teknologi penipisannya merupakan yang pertama di dunia pada saat itu. Pada 1200 V, ketebalannya bisa antara 120 dan 140 um, dan pada 600V, ketebalannya bisa di bawah 70 um. Generasi kelima dan keenam: FS-IGBT generasi kelima dan FS-Trench generasi keenam merupakan kombinasi berbagai ukuran teknis berdasarkan empat teknologi sebelumnya. IGBT generasi kelima merupakan gabungan produk generasi keempat yaitu “teknologi pengumpul transparan” dan “teknologi penghenti medan listrik”. Perbedaan antara produk generasi keenam dan produk generasi kelima adalah struktur gerbang paritnya ditingkatkan. Di bidang kendaraan listrik, IGBT digunakan sebagai perangkat utama perangkat semikonduktor daya baru, yang banyak digunakan dalam angkutan kereta api, kendaraan energi baru, dan bidang lainnya. Saat ini, dengan semakin cepatnya laju kehidupan, pasar mengajukan persyaratan yang lebih tinggi untuk daya, keamanan, dan harga kendaraan energi baru, dan kerapatan arus, kehilangan daya, dan stabilitas IGBT memainkan peranan penting.

Pengembangan kendaraan listrik berkaitan erat dengan pengembangan modul IGBT, dan kendaraan listrik, tumpukan pengisian daya, dan peralatan terkait semuanya tidak dapat dipisahkan dari dukungan teknologi IGBT. Dalam biaya produksi kendaraan listrik, modul IGBT mencakup lebih dari 10%, yang berarti hampir 1/5 dari biaya produksi tumpukan pengisian. Di bidang kendaraan listrik, IGBT terutama digunakan dalam aspek-aspek berikut: 1. Sistem kendali kendaraan listrik. Teknologi IGBT digunakan untuk mengendalikan inverter DC/AC berdaya tinggi dan kemudian mengendalikan pengoperasian motor. Konverter merupakan komponen inti traksi dalam sistem penggerak AC, dan IGBT merupakan komponen kunci konverter traksi. 2. Sistem kontrol AC kendaraan menggunakan IGBT dan FRD dengan arus rendah untuk mengendalikan inverter DC/AC daya rendah. 3. Modul IGBT tumpukan pengisian digunakan sebagai elemen sakelar dalam tumpukan pengisian cerdas.
label 

IGBT memiliki kinerja yang baik dalam kepadatan arus tinggi, teknologi optimasi rugi-rugi rendah, teknologi suhu dan tegangan tinggi, serta teknologi integrasi cerdas. IGBT telah banyak digunakan dalam modul daya kendaraan energi baru dan memiliki prospek yang cerah. Namun, untuk mewujudkan penerapan teknologi pengoptimalan chip IGBT dalam skala besar bagi kendaraan listrik, perlu dioptimalkan lebih lanjut kehalusan, ketahanan terhadap suhu tinggi dan tekanan tinggi, serta teknologi integrasi multifungsi gerbang parit.

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "Semiconductor Online". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ini hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulisnya saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.

Telp Perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Manajer Qiu
Alamat: Kamar 809, Blok C, Gedung Teknologi Zhantao, No.1079 Minzhi Avenue, Distrik Baru Longhua, Shenzhen