電気自動車IGBT技術の応用と開発について語る

  パワーデバイスは20世紀半ばに登場しました。約30年の開発を経て、MOS技術とBJT技術の組み合わせによりIGBT技術が誕生しました。 IGBT は継続的なアップデートを経て、車両、溶接、航空宇宙などの分野で広く使用されるようになりました。 本稿では、IGBT の構造と動作原理を紹介し、電気自動車分野でのその応用について詳しく説明します。これは、実務者が IGBT の原理と電気自動車分野でのその技術開発を完全に理解するのに役立ちます。地球温暖化と環境悪化の深刻化に伴い、中国は省エネと排出削減の圧力を軽減するために高い目標を掲げている。 省エネと排出削減の目標を達成するために、中国は新エネルギー車の開発を積極的に支援している。 電気自動車パワートレインのコアエネルギー変換ユニットトラクションインバータは、バッテリーからの DC 出力を三相 AC に変換できます。 車両の発進・停止が頻繁に行われると、インバータ内のパワー半導体素子にはさまざまな衝撃力が加わります。 インバーターの電力密度は電気自動車の出力と密接に関係しています。 自動車用パワーモジュールのパワー半導体デバイスには、主にシリコンカーバイドベースのパワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタと絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）が含まれます。

IGBT は、バイポーラ トランジスタと絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成される複合完全制御電圧駆動型電力半導体デバイスに属し、入力インピーダンスが高く、伝導電圧降下が低いという利点があります。 巨大トランジスタの飽和電圧は低く、電流密度は高くなりますが、動作電流は高くなります。 金属半効果トランジスタは動作電力が低く、スイッチング速度が速いですが、スイッチング電圧降下が大きく、電流密度が低くなります。 IGBTは、オン時には消費電力が低く導体とみなされ、オフ時には抵抗が高く開回路とみなされます。高電圧、大電流、高速、低動作電力、低飽和電圧という600つの特性を備えており、直流電圧XNUMXV以上のコンバータシステムに適しています。 電気自動車はパワーデバイスに高い耐電圧性、耐高温性、放熱性、安定性といった要件を課しており、IGBTはMOSFETトランジスタよりも総合的な性能に優れています。そのため、IGBTは現在、電気自動車のインバータにおける主流のパワーデバイスとなっており、大きな発展の可能性を秘めています。 IGBT はグリッド G、コレクター C、エミッター E を持つ 3 端子デバイスです。 IGBT には 1 層の P+ インプラント領域があり、より大きな PN 接合 JXNUMX を形成します。 IGBTが回路に接続されると、注入領域P+からベース領域Nへキャリアが放出され、ドリフト領域の導電性を調整することができます。そのため、IGBTは大きな電流容量を備えています。 バッファ領域は、P+ 注入領域と N- ドリフト領域の間の N+ 層です。 バッファ内に IGBT があるかどうかによって特性が異なります。 N+バッファを備えたIGBTは非対称IGBT（パンチスルーIGBTとも呼ばれます）と呼ばれ、順方向電圧降下が小さく、ドッグターンオフ時間が短く、ターンオフ時のテール電流が小さいなどの利点がありますが、逆阻止能力は比較的弱いです。 N バッファのない IGBT は対称型 IGBT (非パンチスルー IGBT とも呼ばれます) と呼ばれ、順方向および逆方向のブロッキング能力が強く、その他の特性はパンチスルー IGBT よりも劣ります。

  IGBT駆動回路   IGBT駆動回路は、GTRとMOSFETで構成されたダーリントン構造で、ゲートの正負の電圧を制御することでオン/オフを制御します。ゲート電圧が正のとき、GTRとMOSFETで構成されたダーリントントランジスタは導通状態になります。ゲート電圧が負のとき、GTRとMOSFETで構成されたダーリントントランジスタはオフ状態、つまり動作しません。 IGBT駆動回路の等価回路図を図2に示します。この回路は、シングルチップマイコンのパルス出力電力を増幅して、IGBTパワーデバイスを間接的に駆動して動作させることができます。電圧 - 電流特性曲線は、IGBTバイポーラ巨大トランジスタのものと似ています。制御電圧UGEが増加すると、特性曲線は上方に移動します。UGEのレベルを変更することで、IGBTの状態（オフ状態、飽和状態）を制御できるため、電源のスイッチングによく使用されます。  

IGBTの動作原理   IGBT は PNP トランジスタ（MOSFET で駆動）と見なすことができます。一般的な PNP トランジスタと比較して、ベース領域が厚くなっています。等価回路を図 1(b) に示します。図で、RN は PNP トランジスタのベース領域にある変調抵抗器、MOSFET は N チャネル電界効果トランジスタです。この構造の IGBT は N チャネル IIGBT と呼ばれ、記号は N-IGBT です。同様に、P チャネル IGBT もあり、これは P-IGBT です。IGBT の電気図記号を図 1(c) に示します。IGBT は界磁制御デバイスであり、そのターンオンとターンオフはゲートとエミッタ間の電圧 UCE によって決まります。ターンオン電圧 UCE(th) がゲート - エミッタ電圧 UCE より小さく、ゲート電圧が正の場合、PNP トランジスタは MOSFET の内部チャネルで電流を受け取り、IGBT がオンになります。このとき、P+領域からN-領域に入るキャリアがN-領域の導電性を変調し、抵抗RN（N-領域）が徐々に減少し、IGBTのオン状態の電圧降下が小さくなります。 ゲート-エミッタ電圧UCEがゼロまたは逆電圧に等しい場合、MOSFETにチャネルが形成されず、P+領域からN-領域に入ってN-領域の導電性を変調するキャリアがなく、トランジスタにベース電流がないため、IGBTは動作していないときにオフになります。 IGBTの駆動原理は次のとおりです。 UCEが負の場合：J3接合は逆バイアス状態にあり、デバイスは逆ブロッキング状態にあります。 UCEが正の場合：UC < UTH、チャネルを形成できず、デバイスは順方向ブロッキング状態にあります。 UG> UTH、絶縁ゲートの下にNチャネルが形成され、キャリアの相互作用により、N-領域でコンダクタンス変調が発生し、デバイスが順方向に導通します。   1. ブレークオーバー  
シリコン ウェーハとパワー MOSFET の構造の違いは、IGBT にはパワー MOSFET よりも多くの P+ 基板と N+ バッファ層があり (IGBT には NPT の非パンチスルー構造がありません)、基板を使用することでチューブ本体の P_ 領域と N+ 領域の間に J1 接合が確立されることです。 正のゲートバイアスによってゲート下のPベース領域が反転すると、IGBT内部にNチャネルが形成されます。このとき、チャネル内に電子の流れと電流が形成されます。 形成された電子電流の電圧が0.7Vの範囲内にある場合、P_領域とN+領域に形成されたJ1は順方向バイアスとなり、一部のホールがN-領域に流入します。これにより、N-領域とN+領域間の抵抗率が変化します。この調整方法により、IGBTの導通エネルギー消費が削減され、XNUMX次電荷フローが促進されます。 2 つの異なる電流トポロジ、つまり MOSFET の電子電流とホール電流 (バイポーラ) が半導体に一時的に現れます。  
2. 導通電圧降下  
コンダクタンス変調効果により、抵抗 RN の値とオン電圧を下げることができます。 オン電圧降下とは、IGBT がオン状態になったときの管電圧降下 UDS のことを指し、この電圧は UCS の上昇とともに低下します。  
3. シャットオフ  
負のバイアス電圧がゲートに印加されるか、ゲート電圧がしきい値より低い場合、チャネルは形成されず、ホールは N- 領域に入りません。 いずれの場合も、スイッチング段階でMOSFET電流が急激に低下すると、コレクタ電流も減少します。このとき、整流開始後もN領域にはまだ少数のキャリアが残っています。 ターンオフ時の電荷密度は残留電流値の低減に直接影響します。 電荷密度は不純物の数やトポロジー、層の厚さや温度などに関係するため、残留電流値（ウェイク）の低減は多くの要因の影響を受け不確実です。 コレクタ電流は、N 領域の一部の残留キャリアの減衰の影響を受け、特徴的なウェイク波形が現れます。 特性的なコレクタウェイクは、高消費電力や導通障害などの問題を引き起こします。 この種の問題は、フリーホイールダイオードの装置ではより顕著になります。 残留電流は少数キャリアの再結合と密接に関係しているため、残留電流の電流値はチップの Tc、IC、UCE、ホール移動度と重要な関係があるはずです。
4. リバースブロッキング 
コレクタに逆電圧がかかると、P_ 領域と N+ 領域の J 接合が逆バイアス電圧の影響を受けます。同時に層厚が薄くなりすぎるため阻止能力が失われ、空乏層がN-領域まで伸びてしまいます。さらに、領域サイズが特定の値を超えて増加すると、電圧降下は継続的に増加します。 
5. 前方ブロック  
コレクタ端子に正の電圧がかかり、ゲートとエミッタが短絡すると、P_ 領域と N+ 領域間の J 接合が逆電圧によって制御されます。  
6.   
PNPN サイリスタは ICBT のコレクタとエミッタの間に寄生します。 サイリスタの導通現象は IGBT ラッチアップと呼ばれます。 特定の条件下では、PNPN サイリスタが導通し、コレクタとエミッタ間の電流が増加し、同等の MOSFET を制御する能力が低下し、デバイスの故障につながることがよくあります。   そして電気自動車におけるIGBTチップの開発の歴史。   過去数十年のパワーデバイスの開発を振り返ると、1960年代のバイポーラデバイスはオン抵抗が小さく、電流制御と制御回路が複雑で、消費電力が高かった。 産業の発展に伴い、駆動回路の簡素化、製造コストの低減、スイッチング消費電力、オン電圧降下などの要求が学界に提起されています。 1990 年代には、MOS と BJT の統合技術の研究を背景に IGBT が製造されました。 IGBTの登場は電気自動車のためではありませんでした。しかし、地球環境の悪化に伴い電気自動車の発展が進み、IGBTは自動車、輸送機器などの分野で徐々に応用され始めました。電気自動車とIGBTの共通の発展により、IGBTチップは電気自動車に欠かせない部品となっています。 電気自動車用 IGBT チップの開発プロセスを図 3 に示します。 第一世代：IGBTのプロトタイプは、Nドリフトの増加による耐圧向上が必要でしたが、オフ時の消費電力とオン抵抗が高く、これらの要因により、第一世代IGBTは研究室で開発が止まり、広く普及することはありませんでした。 第2世代：PT-IGBT。空乏層がN+バッファ層を貫通できず、ベース領域の電界が台形分布で強化されます。チップ厚を薄くすることで消費電力が低減されます。 当時、IGBTデバイスを生産していた代表的な企業はシーメンスでした。 20世紀末、シーメンス社製のBSM150GB120DN1(DN1は第一世代品の略)は600V電圧では良好な性能を発揮しましたが、電圧が1200Vに上がるとエピタキシャル厚さが厚くなり、コストが比較的高くなり、信頼性が低下します（ドーピング濃度と厚さの均一性が劣ります）。 第3世代：NPT-IGBT。エピタキシャル技術に代わり、イオン注入技術によってP+コレクタ（透明コレクタ技術）が生成され、接合深さを適切に制御し、放出効率を可能な限り低く抑えることができます。 キャリア抽出を高速化することでターンオフ損失を実現します。 ベース領域の本来のキャリアライフタイムは基本的に影響を受けず、定常消費電力への影響はほぼ無視できます。このため、IGBTは正の温度係数の特性を持ち、定常損失とターンオフ損失の間で良好な性能を発揮します。 現在、IGBTの代表的な企業は依然としてシーメンスであり、同社はゾーン溶融法を採用して拡張バッチ製品を置き換えています。 第4世代：トレンチIGBT。第4世代は従来型と比べて大幅な改良が施されています。今回はトレンチ構造を採用し、チャネルが従来の表面から垂直面へと移動することで、ベース領域におけるPIN効果が向上し、ゲート近傍のキャリア濃度が上昇し、コンダクタンス変調効果がある程度向上し、オン抵抗が低減し、JFET効果が排除されました。ゲート密度は必要に応じて増加させることができます。 また、第4世代では第3世代のコレクタP+Implicit技術を引き継ぎ、フィールドストップ層としてPT技術を導入し耐圧を向上させています。 インフィニオンはシーメンスに代わってトップ企業となり、その薄化技術は当時世界初でした。 1200 V では、その厚さは 120 ～ 140 um になる可能性があり、600 V では、厚さは 70 um 未満になる可能性があります。 第 5 世代と第 6 世代: 第 5 世代 FS-IGBT と第 6 世代 FS-Trench は、以前の 4 つのテクノロジに基づくさまざまな技術的手段を再結合したものです。 第5世代IGBTは、第4世代製品の「透過コレクタ技術」と「電界ストップ技術」を組み合わせたものです。 第6世代品と第5世代品の違いは、トレンチゲート構造が改良されている点です。 電気自動車分野では、IGBT が新型パワー半導体デバイスの主流デバイスとして利用されており、鉄道輸送、新エネルギー車などの分野で広く使用されています。 現在、生活のペースが加速するにつれ、市場は新エネルギー車のパワー、安全性、価格に対してより高い要求を突きつけており、IGBTの電流密度、電力損失、安定性が重要な役割を果たしています。

電気自動車の発展は IGBT モジュールの発展と密接に関係しており、電気自動車、充電スタンドおよび関連機器はすべて IGBT 技術のサポートと切り離すことはできません。 電気自動車の生産コストのうち、IGBTモジュールは10％以上を占め、充電スタンドの生産コストの約1分の5を占めています。 電気自動車分野において、IGBTは主に以下の用途に使用されています。1. 電気自動車の制御システム：IGBT技術は、高出力DC/ACインバータを制御し、モーターの動作を制御するために使用されます。コンバータはAC駆動システムの駆動の中核部品であり、IGBTは駆動コンバータの主要部品です。 2. 車両空調制御システムは、低電流の IGBT と FRD を使用して低電力 DC/AC インバータを制御します。 3. 充電パイルの IGBT モジュールは、インテリジェント充電パイルのスイッチング要素として使用されます。
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IGBTは、高電流密度、低損失最適化技術、高温・高電圧技術、インテリジェント集積技術において優れた性能を有しており、新エネルギー車のパワーモジュールに広く採用されており、将来性も良好です。 しかし、電気自動車向けIGBTチップ最適化技術の大規模応用を実現するためには、トレンチゲートの微細化、高温高圧耐性、多機能集積化技術をさらに最適化する必要がある。

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