Parleremo dell'applicazione e dello sviluppo della tecnologia IGBT per i veicoli elettrici

  I dispositivi di potenza apparvero a metà del XX secolo. Dopo quasi 20 anni di sviluppo, la combinazione delle tecnologie MOS e BJT diede vita alla tecnologia IGBT. Dopo continui aggiornamenti, l'IGBT è stato ampiamente utilizzato nei settori automobilistico, della saldatura, aerospaziale e in altri settori. In questo articolo vengono introdotti la struttura e il principio di funzionamento dell'IGBT e viene illustrata la sua applicazione nel campo dei veicoli elettrici, utile ai professionisti per comprendere appieno il principio dell'IGBT e il suo sviluppo tecnico nel campo dei veicoli elettrici.Con l’aggravarsi del riscaldamento globale e del deterioramento ambientale, al fine di alleviare la pressione sul risparmio energetico e sulla riduzione delle emissioni, la Cina si è posta un obiettivo ambizioso. Per raggiungere l’obiettivo del risparmio energetico e della riduzione delle emissioni, la Cina sostiene vigorosamente lo sviluppo di nuovi veicoli energetici. L'inverter di trazione dell'unità di conversione dell'energia principale del gruppo propulsore del veicolo elettrico può convertire l'uscita CC dalla batteria in CA trifase. A causa dei frequenti avviamenti e arresti del veicolo i dispositivi a semiconduttore di potenza nell'inverter sopportano diverse forze d'urto. La densità di potenza dell'inverter è strettamente correlata alla potenza del veicolo elettrico. I dispositivi semiconduttori di potenza dei moduli di potenza per autoveicoli includono principalmente transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo di potenza a base di carburo di silicio e transistor bipolari a gate isolato (IGBT).

L'IGBT appartiene ai dispositivi semiconduttori di potenza a tensione completamente controllata, composti da un transistor bipolare e da un transistor a effetto di campo a gate isolato, e presentano i vantaggi di un'elevata impedenza di ingresso e di una bassa caduta di tensione di conduzione. La tensione di saturazione del transistor gigante è bassa, la densità di corrente è elevata, ma la corrente di lavoro è elevata. Il transistor a mezzo effetto in metallo ha una bassa potenza di lavoro e una velocità di commutazione elevata, ma ha una grande caduta di tensione di commutazione e una bassa densità di trasporto di corrente. L'IGBT ha un basso consumo energetico all'accensione, che può essere considerato un conduttore, e un'elevata resistenza allo spegnimento, che può essere considerata un circuito aperto. Presenta tre caratteristiche: alta tensione, alta corrente e alta velocità, bassa potenza di lavoro e bassa tensione di saturazione, ed è adatto per sistemi di conversione con tensione CC pari o superiore a 600 V. Poiché i veicoli elettrici hanno elevati requisiti in termini di resistenza alla tensione, resistenza alle alte temperature, dissipazione del calore e stabilità dei dispositivi di potenza, gli IGBT offrono prestazioni complessive migliori rispetto ai transistor MOSFET. Pertanto, gli IGBT sono diventati il dispositivo di potenza principale negli inverter dei veicoli elettrici e hanno un grande potenziale di sviluppo. L'IGBT è dotato di una griglia G, un collettore C e un emettitore E ed è un dispositivo a tre terminali. L'IGBT ha due strati di regioni di impianto P+, che formano una giunzione PN più grande J1. Quando l'IGBT è collegato al circuito, alcuni portatori vengono emessi dalla regione di iniezione P+ alla regione di base N, regolando la conduttività della regione di deriva. Pertanto, l'IGBT ha una elevata capacità di corrente. La regione tampone è uno strato N+ tra la regione dell'impianto P+ e la regione della deriva N-. La presenza o meno di IGBT nel buffer presenta caratteristiche diverse. L'IGBT con buffer N+ è chiamato IGBT asimmetrico (chiamato anche IGBT punch-through), che presenta i vantaggi di una piccola caduta di tensione diretta, un breve tempo di spegnimento del circuito e una piccola corrente di coda durante lo spegnimento, ma la sua capacità di blocco inverso è relativamente debole. L'IGBT senza buffer N è chiamato IGBT simmetrico (detto anche IGBT non-punch-through), che ha una forte capacità di blocco in direzione avanti e indietro e le sue altre caratteristiche sono peggiori di quelle dell'IGBT punch-through.

  Circuito di pilotaggio IGBT   Il circuito di pilotaggio dell'IGBT è una struttura Darlington composta da GTR e MOSFET, che viene attivata e disattivata controllando la tensione positiva e negativa del gate. Quando la tensione di gate è positiva, il transistor Darlington composto da GTR e MOSFET è in stato di conduzione; quando la tensione di gate è negativa, il transistor Darlington composto da GTR e MOSFET è in stato di spegnimento, ovvero non funziona. Lo schema elettrico equivalente del circuito di pilotaggio dell'IGBT è mostrato in Figura 2. Questo circuito può amplificare la potenza di uscita impulsiva di un microcomputer a chip singolo per pilotare indirettamente i dispositivi di potenza IGBT. La curva caratteristica volt-ampere è simile a quella del transistor gigante bipolare IGBT. Quando la tensione di controllo UGE aumenta, la curva caratteristica si sposta verso l'alto. Modificando il livello di UGE è possibile controllare lo stato dell'IGBT (stato di spegnimento, stato di saturazione), quindi viene spesso utilizzato nella commutazione degli alimentatori.  

Il principio di funzionamento dell'IGBT   L'IGBT può essere considerato un transistor PNP (pilotato da un MOSFET). Rispetto al comune transistor PNP, la sua regione di base è più spessa. Il circuito equivalente è mostrato in Figura 1(b). Nella figura, RN è il resistore di modulazione nella regione di base del transistor PNP e il MOSFET è un transistor a effetto di campo a canale N. L'IGBT con questa struttura è chiamato IIGBT a canale N e il suo simbolo è N-IGBT. Analogamente, esistono IGBT a canale P, ovvero P-IGBT. Il simbolo grafico elettrico dell'IGBT è mostrato in Figura 1(c). L'IGBT è un dispositivo di controllo del campo e la sua accensione e spegnimento sono determinati dalla tensione UCE tra gate ed emettitore. Se la tensione di accensione UCE(th) è inferiore alla tensione gate-emettitore UCE e la tensione di gate è positiva, il transistor PNP riceve la corrente nel canale interno del MOSFET e l'IGBT si accende. A questo punto, i portatori che entrano nella regione N- dalla regione P+ modulano la conduttività della regione N- e la resistenza RN (regione N-) diminuirà gradualmente, e l'IGBT subirà una caduta di tensione in stato on minore. Se la tensione gate-emettitore UCE è uguale a zero o alla tensione inversa, non si formerà alcun canale nel MOSFET, nessun portatore entrerà nella regione N- dalla regione P+ per modulare la conduttività della regione N- e non ci sarà corrente di base nel transistor, quindi l'IGBT si spegnerà quando non funziona. Il principio di pilotaggio dell'IGBT è il seguente. Quando UCE è negativa: la giunzione J3 è in stato di polarizzazione inversa e il dispositivo è in stato di blocco inverso. Quando UCE è positivo: UC< UTH, il canale non può essere formato e il dispositivo è in uno stato di blocco in avanti; UG>UTH, sotto il gate isolato, viene formato un canale N e, a causa dell'interazione dei portatori, viene generata una modulazione della conduttanza nella regione N-, che fa sì che il dispositivo conduca in avanti.   1. rottura  
La differenza tra la struttura del wafer di silicio e quella del MOSFET di potenza è che l'IGBT ha più substrato P+ e uno strato tampone N+ rispetto al MOSFET di potenza (l'IGBT non ha una struttura NPT-non-punch-through) e una giunzione J1 viene stabilita tra la regione P_ e la regione N+ del corpo del tubo utilizzando il substrato. Se la polarizzazione positiva del gate inverte la regione di base P sotto il gate, si formerà un canale N all'interno dell'IGBT. In questo momento, nel canale si formeranno un flusso di elettroni e una corrente. Quando la tensione della corrente di elettroni formata è compresa nell'intervallo di 0.7 V, J1 stabilito nella regione P_ e nella regione N+ è polarizzato direttamente e alcune lacune entrano nella regione N-, il che modificherà la resistività tra la regione N- e la regione N+. Questo metodo di regolazione riduce il consumo energetico della conduzione dell'IGBT e pilota il secondo flusso di carica. Nel semiconduttore compaiono temporaneamente due diverse topologie di corrente, una corrente di elettroni MOSFET e una corrente di lacune (bipolare).  
2. Caduta di tensione di conduzione  
L'effetto di modulazione della conduttanza può ridurre il valore della resistenza RN e la tensione di stato attivo. La cosiddetta caduta di tensione in stato on si riferisce alla caduta di tensione del tubo UDS quando l'IGBT entra nello stato on; questa tensione diminuisce con l'aumento dell'UCS.  
3. spegnimento  
Quando una tensione di polarizzazione negativa viene applicata al gate o la tensione di gate è inferiore al valore di soglia, non si formerà alcun canale e nessun foro entrerà nella regione N. In ogni caso, se la corrente del MOSFET scende troppo rapidamente nello stadio di commutazione, la corrente del collettore diminuirà. A questo punto, dopo l'inizio della commutazione, alcuni portatori rimarranno ancora nella regione N. La densità di carica allo spegnimento influenzerà direttamente la riduzione del valore della corrente residua. La densità di carica è correlata al numero e alla topologia delle impurità, allo spessore e alla temperatura degli strati, ecc. Pertanto, la riduzione del valore della corrente residua (scia) è influenzata da molti fattori e incerti. La corrente di collettore è influenzata dal decadimento di alcuni portatori residui nella regione N e appare la caratteristica forma d'onda di scia. La caratteristica scia del collettore causerà problemi come un elevato consumo energetico e una conduzione disordinata. Questo tipo di problema sarà più evidente nelle apparecchiature con diodo a ruota libera. Poiché la corrente residua è strettamente correlata alla ricombinazione dei portatori minoritari, il valore corrente della corrente residua dovrebbe avere una relazione importante con Tc, IC, UCE e mobilità delle lacune del chip.
4. Blocco inverso 
Se il collettore riceve la tensione inversa, la giunzione J della regione P_ e della regione N+ sarà influenzata dalla tensione di polarizzazione inversa. Allo stesso tempo, la capacità di bloccaggio andrà persa perché lo spessore dello strato diminuisce troppo e lo strato di svuotamento si estenderà alla regione N. Inoltre, se la dimensione della regione aumenta oltre un certo valore, la caduta di tensione aumenterà continuamente. 
5. Blocco in avanti  
Se il terminale del collettore riceve una tensione positiva e il gate e l'emettitore sono in cortocircuito, la giunzione J tra la regione P_ e la regione N+ è controllata dalla tensione inversa.  
6. chiavistello  
Il tiristore PNPN è parassita tra il collettore e l'emettitore dell'ICBT. Il fenomeno di conduzione del tiristore è chiamato latch-up dell'IGBT. In determinate condizioni, il tiristore PNPN condurrà, la corrente tra il collettore e l'emettitore aumenterà e la capacità di controllare il MOSFET equivalente diminuirà, il che spesso porta al guasto del dispositivo.   E la storia dello sviluppo dei chip IGBT nei veicoli elettrici.   Guardando indietro allo sviluppo dei dispositivi di potenza negli ultimi decenni, negli anni '1960, i dispositivi bipolari avevano una piccola resistenza allo stato attivo, un complicato circuito di controllo e controllo della corrente e un elevato consumo energetico. Con lo sviluppo dell'industria, i requisiti di semplificazione del circuito di pilotaggio, riduzione dei costi di produzione, consumo di energia di commutazione e caduta di tensione nello stato di accensione vengono proposti ai circoli accademici. Negli anni '1990, l'IGBT è stato prodotto nell'ambito della ricerca sulla tecnologia di integrazione MOS e BJT. L'emergere degli IGBT non è stato concepito per i veicoli elettrici. Tuttavia, con il deterioramento dell'ambiente globale, i veicoli elettrici si sono sviluppati e gli IGBT hanno gradualmente iniziato a essere applicati nei settori automobilistico, dei trasporti, ecc. Con lo sviluppo congiunto di veicoli elettrici e IGBT, i chip IGBT sono diventati una componente indispensabile dei veicoli elettrici. Il processo di sviluppo dei chip IGBT per veicoli elettrici è illustrato nella Figura 3. Prima generazione: il prototipo di IGBT, che necessita di migliorare la tensione di tenuta aumentando la deriva N, presenta elevati consumi a vuoto e resistenza di conduzione. A causa dei fattori sopra menzionati, la prima generazione di IGBT è rimasta inutilizzata in laboratorio e non è stata ampiamente utilizzata. Seconda generazione: PT-IGBT. Lo strato di svuotamento non riesce a penetrare lo strato tampone N+ e il campo elettrico nella regione di base viene rafforzato con una distribuzione trapezoidale. Il consumo energetico viene ridotto riducendo lo spessore del chip. All'epoca, la società rappresentativa che produceva dispositivi IGBT era la Siemens. Alla fine del 20° secolo, il BSM150GB120DN1 (DN1 sta per il prodotto di prima generazione) prodotto da Siemens ha buone prestazioni con una tensione di 600 V, ma quando la tensione sale a 1200 V, lo spessore epitassiale diventa maggiore, il costo è relativamente alto, e l'affidabilità diminuisce (l'uniformità della concentrazione e dello spessore del drogante è scarsa). Terza generazione: NPT-IGBT. La tecnologia di impianto ionico sostituisce la tecnologia epitassiale per generare un collettore P+ (tecnologia del collettore trasparente), in grado di controllare bene la profondità di giunzione e garantire la minima efficienza di emissione possibile. La perdita di spegnimento si ottiene accelerando l'estrazione del vettore. La durata di vita originale del vettore nella regione di base non è sostanzialmente influenzata e l'influenza sul consumo energetico a regime stazionario è pressoché trascurabile. In questa fase, l'IGBT presenta le caratteristiche di un coefficiente di temperatura positivo e offre buone prestazioni tra le perdite a regime stazionario e quelle a spegnimento. Attualmente, la società rappresentativa degli IGBT è ancora Siemens, che adotta il metodo di fusione a zona per sostituire i prodotti a lotti estesi. Quarta generazione: Trench-IGBT. La quarta generazione presenta un notevole miglioramento rispetto al passato. Questa volta, viene utilizzata la struttura a trench e il canale si sposta dalla superficie precedente a quella verticale, il che migliora l'effetto PIN nella regione di base, aumenta la concentrazione di portatori vicino al gate, migliora in una certa misura l'effetto di modulazione della conduttanza, riduce la resistenza di conduzione ed elimina l'effetto JFET. La densità del gate può essere aumentata a seconda delle esigenze. Inoltre, la quarta generazione continua a ereditare la tecnologia del collettore P+Implicit della terza generazione e introduce la tecnologia PT come strato di arresto del campo, che migliora la tensione di tenuta. Infineon sostituì Siemens come azienda leader e la sua tecnologia di assottigliamento fu all'epoca la prima al mondo. A 1200 V, il suo spessore potrebbe essere compreso tra 120 e 140 um, mentre a 600 V potrebbe essere inferiore a 70 um. Quinta e sesta generazione: la quinta generazione FS-IGBT e la sesta generazione FS-Trench sono la ricombinazione di diverse misure tecniche basate sulle quattro tecnologie precedenti. L'IGBT di quinta generazione è la combinazione della "tecnologia del collettore trasparente" e della "tecnologia di arresto del campo elettrico" di quarta generazione. La differenza tra il prodotto di sesta generazione e quello di quinta generazione è che la struttura del trench gate è migliorata. Nel campo dei veicoli elettrici, l'IGBT è utilizzato come dispositivo principale nei nuovi dispositivi a semiconduttore di potenza, ampiamente utilizzato nel trasporto ferroviario, nei veicoli a nuova energia e in altri settori. Attualmente, con il ritmo accelerato della vita, il mercato impone requisiti più elevati in termini di potenza, sicurezza e prezzo dei veicoli a nuova energia, e la densità di corrente, la perdita di potenza e la stabilità dell'IGBT svolgono un ruolo importante.

Lo sviluppo dei veicoli elettrici è strettamente correlato allo sviluppo dei moduli IGBT; i veicoli elettrici, le stazioni di ricarica e le relative apparecchiature sono tutti inseparabili dal supporto della tecnologia IGBT. Nel costo di produzione dei veicoli elettrici, i moduli IGBT rappresentano oltre il 10%, rappresentando circa 1/5 del costo di produzione delle colonnine di ricarica. Nel campo dei veicoli elettrici, l'IGBT viene utilizzato principalmente nei seguenti aspetti: 1. Sistema di controllo dei veicoli elettrici. La tecnologia IGBT viene utilizzata per controllare l'inverter CC/CA ad alta potenza e quindi controllare il funzionamento del motore. Il convertitore è il componente principale della trazione nei sistemi di azionamento CA e l'IGBT è il componente chiave del convertitore di trazione. 2. Il sistema di controllo dell'aria condizionata del veicolo utilizza IGBT e FRD a bassa corrente per controllare l'inverter CC/CA a bassa potenza. 3. Il modulo IGBT della pila di carica viene utilizzato come elemento di commutazione nella pila di carica intelligente.
etichetta 

Gli IGBT offrono buone prestazioni in termini di elevata densità di corrente, tecnologia di ottimizzazione a basse perdite, tecnologia ad alta temperatura e alta tensione e tecnologia di integrazione intelligente. Sono ampiamente utilizzati nei moduli di potenza dei veicoli a nuova energia e hanno buone prospettive. Tuttavia, per realizzare l'applicazione su larga scala della tecnologia di ottimizzazione dei chip IGBT per i veicoli elettrici, è necessario ottimizzare ulteriormente la finezza, la resistenza alle alte temperature e alle alte pressioni e la tecnologia di integrazione multifunzionale della trincea.

Dichiarazione di non responsabilità: questo articolo è riprodotto da "Semiconductor Online". Questo articolo rappresenta solo il punto di vista personale dell'autore e non rappresenta il punto di vista di Sacco Micro e dell'industria. È destinato esclusivamente alla ristampa e alla condivisione per sostenere la protezione dei diritti di proprietà intellettuale. Si prega di indicare la fonte originale e l'autore in caso di ristampa. In caso di violazione, contattaci per eliminarla.

Tel. azienda: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Responsabile Qiu
Indirizzo: Sala 809, Blocco C, Zhantao Technology Building, No.1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen