전기차 IGBT 기술의 응용과 개발에 대해 이야기해 보세요.

  전력 소자는 20세기 중반에 등장했습니다. 거의 30년간의 개발 끝에 MOS와 BJT 기술의 결합으로 IGBT 기술이 탄생했습니다. IGBT는 지속적인 업데이트를 거쳐 자동차, 용접, 항공우주 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있습니다. 본 논문은 IGBT의 구조와 작동 원리를 소개하고, 전기 자동차 분야에서의 응용에 대해 설명합니다. 이를 통해 실무자들이 전기 자동차 분야에서 IGBT의 원리와 기술 개발을 완전히 이해하는 데 도움이 됩니다.지구 온난화가 심화되고 환경이 악화됨에 따라 중국은 에너지 절약과 배출 감소에 대한 압력을 완화하기 위해 높은 목표를 제시했습니다. 중국은 에너지 절약과 배출 감소 목표를 달성하기 위해 신에너지 자동차 개발을 적극적으로 지원합니다. 전기 자동차 파워트레인의 핵심 에너지 변환 장치 트랙션 인버터는 배터리의 DC 출력을 3상 AC로 변환할 수 있습니다. 차량의 빈번한 시동/정지는 인버터의 전력 반도체 장치에 다양한 충격력을 가하게 됩니다. 인버터의 전력밀도는 전기자동차의 출력과 밀접한 관련이 있다. 자동차 전력 모듈의 전력 반도체 소자는 주로 탄화규소 기반 전력 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터와 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 포함합니다.

IGBT는 바이폴라 트랜지스터와 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터로 구성된 복합 완전 제어 전압 구동 전력 반도체 소자에 속하며, 높은 입력 임피던스와 낮은 전도 전압 강하의 장점이 있습니다. 거대 트랜지스터의 포화 전압은 낮고 전류 밀도는 높지만 작동 전류는 높습니다. 금속 반효과 트랜지스터는 작동 전력이 낮고 스위칭 속도가 빠르지만 스위칭 전압 강하가 크고 전류 전달 밀도가 낮습니다. IGBT는 켜진 후에는 전력 소모가 낮아 도체로 간주될 수 있고, 꺼진 후에는 저항이 높아 개방 회로로 간주될 수 있습니다. IGBT는 고전압, 고전류, 고속, 낮은 동작 전력, 낮은 포화 전압의 세 가지 특성을 가지며, 600V 이상의 DC 전압을 사용하는 컨버터 시스템에 적합합니다. 전기 자동차는 전력 소자의 내압, 고온, 방열, 안정성에 대한 요구가 높기 때문에 IGBT는 MOSFET 트랜지스터보다 종합적인 성능이 우수합니다. 따라서 IGBT는 현재 전기 자동차 인버터의 주류 전력 소자로 자리 잡았으며, 높은 발전 잠재력을 가지고 있습니다. IGBT는 그리드 G, 컬렉터 C, 이미터 E를 가지며, 3단자소자이다. IGBT에는 두 겹의 P+ 이식 영역이 있어 더 큰 PN 접합 J1을 형성합니다. IGBT가 회로에 연결되면 일부 캐리어가 주입 영역 P+에서 베이스 영역 N으로 방출되어 드리프트 영역의 전도도를 조절할 수 있습니다. 따라서 IGBT는 강한 전류 용량을 갖습니다. 버퍼 영역은 P+ 주입 영역과 N- 드리프트 영역 사이의 N+ 층입니다. 버퍼에 IGBT가 있는지 없는지에 따라 특성이 달라집니다. N+ 버퍼를 갖는 IGBT는 비대칭 IGBT(펀치스루 IGBT라고도 함)라고 하며, 순방향 전압 강하가 작고, 도그 턴오프 시간이 짧고, 턴오프 시 테일 전류가 작은 장점이 있으나, 역방향 차단 능력은 상대적으로 약합니다. N-버퍼가 없는 IGBT를 대칭형 IGBT(비펀치스루 IGBT라고도 함)라고 하며, 순방향과 역방향으로 강력한 블로킹 능력을 가지고 있지만, 그 밖의 특성은 펀치스루 IGBT보다 떨어진다.

  IGBT 구동 회로   IGBT 구동 회로는 GTR과 MOSFET으로 구성된 달링턴 구조로, 게이트의 양전압과 음전압을 제어하여 켜지고 꺼집니다. 게이트 전압이 양전압일 때, GTR과 MOSFET으로 구성된 달링턴 트랜지스터는 도통 상태가 되고, 게이트 전압이 음전압일 때, GTR과 MOSFET으로 구성된 달링턴 트랜지스터는 오프 상태, 즉 작동하지 않습니다. IGBT 구동 회로의 등가 회로도는 그림 2에 나와 있습니다. 이 회로는 단일 칩 마이크로컴퓨터의 펄스 출력 전력을 증폭하여 IGBT 전력 소자를 간접적으로 구동하여 작동시킬 수 있습니다. 전압-전류 특성 곡선은 IGBT 바이폴라 거대 트랜지스터의 특성 곡선과 유사합니다. 제어 전압 UGE가 증가하면 특성 곡선은 위쪽으로 이동합니다. UGE 레벨을 변경하면 IGBT의 상태(오프 상태, 포화 상태)를 제어할 수 있으므로 전원 공급 장치의 스위칭에 자주 사용됩니다.  

IGBT의 작동 원리   IGBT는 PNP 트랜지스터(MOSFET 구동)로 볼 수 있습니다. 일반적인 PNP 트랜지스터와 비교했을 때 베이스 영역이 더 두껍습니다. 등가 회로는 그림 1(b)에 나와 있습니다. 그림에서 RN은 PNP 트랜지스터의 베이스 영역에 있는 변조 저항이고 MOSFET은 N채널 전계 효과 트랜지스터입니다. 이러한 구조를 가진 IGBT를 N채널 IIGBT라고 하며 기호는 N-IGBT입니다. 마찬가지로 P채널 IGBT, 즉 P-IGBT가 있습니다. IGBT의 전기적 그래픽 기호는 그림 1(c)에 나와 있습니다. IGBT는 전계 제어 소자이며, 켜짐과 꺼짐은 게이트와 이미터 사이의 전압 UCE에 의해 결정됩니다. 켜짐 전압 UCE(th)가 게이트-이미터 전압 UCE보다 작고 게이트 전압이 양수이면 PNP 트랜지스터는 MOSFET의 내부 채널에 전류를 받고 IGBT가 켜집니다. 이때, P+ 영역에서 N- 영역으로 들어오는 캐리어는 N- 영역의 전도도를 변조하고 저항 RN(N- 영역)은 점차 감소하며 IGBT는 더 작은 온 상태 전압 강하를 얻습니다.게이트-이미터 전압 UCE가 3이거나 역전압과 같으면 MOSFET에 채널이 형성되지 않고, 캐리어가 P+ 영역에서 N- 영역으로 들어와 N- 영역의 전도도를 변조하지 않으며, 트랜지스터에 베이스 전류가 없으므로 IGBT는 작동하지 않을 때 꺼집니다.IGBT의 구동 원리는 다음과 같습니다.UCE가 음수일 때: JXNUMX 접합은 역방향 바이어스 상태이고 소자는 역방향 차단 상태입니다.UCE가 양수일 때: UC< UTH，채널을 형성할 수 없고 소자는 순방향 차단 상태입니다;UG> UTH，절연된 게이트 아래에서 N 채널이 형성되고 캐리어의 상호 작용으로 인해 N- 영역에서 전도도 변조가 발생하여 소자가 순방향으로 전도됩니다.   1. 돌파  
실리콘 웨이퍼와 파워 MOSFET의 구조의 차이점은 IGBT는 파워 MOSFET보다 P+ 기판과 N+ 버퍼층이 더 많고(IGBT는 NPT- 비펀치스루 구조가 없음), 이 기판을 이용하여 튜브 본체의 P_ 영역과 N+ 영역 사이에 J1 접합을 형성한다는 점이다. 양의 게이트 바이어스가 게이트 아래의 P 베이스 영역을 반전시키면 IGBT 내부에 N 채널이 형성됩니다. 이때 채널 내에 전자 흐름과 전류가 형성됩니다. 형성된 전자 전류의 전압이 0.7V 범위 내에 있을 때, P_ 영역과 N+ 영역에 형성된 J1은 순방향 바이어스 상태가 되고, 일부 정공은 N- 영역으로 유입되어 N- 영역과 N+ 영역 사이의 저항률을 변화시킵니다. 이러한 조절 방식은 IGBT 전도의 에너지 소비를 줄이고 두 번째 전하 흐름을 촉진합니다. 반도체에는 두 가지 서로 다른 전류 토폴로지, 즉 하나는 MOSFET 전자 전류이고 다른 하나는 홀 전류(바이폴라)가 일시적으로 나타납니다.  
2. 전도 전압 강하  
컨덕턴스 변조 효과는 저항 RN 값과 온 상태 전압을 감소시킬 수 있습니다. 온 상태 전압 강하란 IGBT가 온 상태에 진입할 때의 튜브 전압 강하 UDS를 말하며, 이 전압은 UCS가 상승함에 따라 감소한다.  
3. 끄다  
게이트에 음의 바이어스 전압이 인가되거나 게이트 전압이 임계값보다 낮으면 채널이 형성되지 않고 N- 영역에 홀이 들어가지 않습니다. 모든 경우에, 스위칭 단계에서 MOSFET 전류가 너무 빠르게 감소하면 컬렉터 전류가 감소합니다. 이때 정류가 시작된 후에도 N 영역에는 여전히 몇 개의 캐리어가 남아 있습니다. 꺼질 때의 전하 밀도는 잔류 전류 값의 감소에 직접적인 영향을 미칩니다. 전하 밀도는 불순물의 수와 토폴로지, 층의 두께와 온도 등과 관련이 있습니다. 따라서 잔류 전류 값(웨이크)을 줄이는 것은 많은 요인과 불확실성의 영향을 받습니다. 컬렉터 전류는 N 영역의 일부 잔류 캐리어의 붕괴에 의해 영향을 받으며 특징적인 후류 파형이 나타납니다. 특성적인 컬렉터 웨이크는 높은 전력 소비 및 무질서한 전도와 같은 문제를 야기합니다. 이런 종류의 문제는 프리휠링 다이오드의 장비에서 더욱 두드러질 것입니다. 잔류 전류는 소수 캐리어의 재결합과 밀접한 관련이 있으므로 잔류 전류의 전류 값은 칩의 Tc, IC, UCE 및 정공 이동도와 중요한 관계를 가져야 합니다.
4. 역방향 차단 
컬렉터에 역전압이 걸리면 P_ 영역과 N+ 영역의 J 접합이 역바이어스 전압의 영향을 받습니다. 동시에 층의 두께가 너무 많이 감소하여 차단 능력이 상실되고 공핍층이 N- 영역까지 확장됩니다. 또한 영역 크기가 특정 값 이상으로 증가하면 전압 강하가 지속적으로 증가합니다. 
5. 앞으로 차단  
컬렉터 단자에 양의 전압이 걸리고 게이트와 이미터가 단락되면 P_ 영역과 N+ 영역 사이의 J 접합이 역전압에 의해 제어됩니다.  
6. 걸쇠  
PNPN 사이리스터는 ICBT의 컬렉터와 이미터 사이에 기생합니다. 사이리스터 전도 현상을 IGBT 래치업이라고 합니다. 특정 조건에서 PNPN 사이리스터는 전도되고, 컬렉터와 에미터 사이의 전류가 증가하며, 동등한 MOSFET을 제어하는 능력이 감소하여 종종 소자의 고장으로 이어집니다.   그리고 전기자동차에 사용되는 IGBT 칩의 개발 역사.   지난 수십 년간의 전력소자 개발을 돌이켜보면 1960년대 바이폴라 소자는 온 상태 저항이 작고 전류 제어 및 제어회로가 복잡하며 소비전력이 높았다. 산업이 발전함에 따라 구동회로의 단순화, 제조원가의 절감, 스위칭 소비전력, 온상태 전압강하 등의 요구사항이 학계에 제시되고 있다. 1990년대에는 MOS와 BJT 집적기술 연구를 배경으로 IGBT가 제조되었습니다. IGBT의 등장은 전기 자동차를 위한 것이 아니었습니다. 그러나 지구 환경의 악화와 함께 전기 자동차가 발전하면서 IGBT는 점차 자동차, 운송 수단 등의 분야에 적용되기 시작했습니다. 전기 자동차와 IGBT의 공동 개발로 인해 IGBT 칩은 전기 자동차의 필수 부품이 되었습니다. 전기자동차용 IGBT 칩의 개발 과정은 그림 3에 나타나 있다. 1세대: N-드리프트를 증가시켜 내전압을 개선해야 하는 IGBT 프로토타입은 높은 오프 전력 소비와 온 저항을 가지고 있습니다. 이러한 요인들로 인해 1세대 IGBT는 실험실에서 개발이 중단되었고 널리 사용되지 못했습니다. 2세대: PT-IGBT. 공핍층이 N+ 버퍼층을 관통하지 못하고, 베이스 영역의 전계가 사다리꼴 분포로 강화됩니다. 칩 두께를 줄여 전력 소비를 줄입니다. 당시 IGBT소자를 생산하는 대표적인 기업은 지멘스였다. 20세기말 지멘스가 생산한 BSM150GB120DN1(DN1은 600세대 제품)은 1200V 전압에서는 좋은 성능을 보이지만 XNUMXV로 올리면 에피택시 두께가 두꺼워져 가격이 상대적으로 비싸진다. 신뢰성이 떨어진다(도핑 농도와 두께의 균일성이 떨어진다). 3세대: NPT-IGBT. 이온 주입 기술은 에피택셜 기술을 대체하여 P+ 컬렉터(투명 컬렉터 기술)를 생성합니다. 이 기술은 접합 깊이를 효과적으로 제어하고 가능한 한 낮은 방출 효율을 보장합니다. 캐리어 추출 속도를 높여 턴오프 손실을 실현합니다. 베이스 영역의 원래 캐리어 수명에는 기본적으로 영향을 미치지 않으며, 정상 상태 전력 소비에 미치는 영향은 거의 미미합니다. 이 때 IGBT는 양의 온도 계수 특성을 가지며 정상 상태 손실과 턴오프 손실 사이에서 우수한 성능을 보입니다. 현재 IGBT의 대표적인 기업은 지멘스이며, 확장된 배치 제품을 대체하기 위해 존 멜팅 방식을 채택하고 있습니다. 4세대: 트렌치-IGBT. 4세대는 이전 세대에 비해 크게 개선되었습니다. 이번에는 트렌치 구조가 사용되었으며, 채널이 이전 표면에서 수직 표면으로 이동하여 베이스 영역의 PIN 효과를 향상시키고, 게이트 근처의 캐리어 농도를 증가시키며, 컨덕턴스 변조 효과를 어느 정도 개선하고, 온 저항을 낮추며, JFET 효과를 제거합니다. 필요에 따라 게이트 밀도를 높일 수 있습니다. 또한 4세대는 3세대의 컬렉터 P+Implicit 기술을 이어받아 필드스톱 레이어에 PT 기술을 도입해 내전압을 향상시켰다. 인피니언은 지멘스를 대신해 선두 기업이 되었고, 그 박형화 기술은 당시 세계 최초였습니다. 1200V에서는 두께가 120~140um이 될 수 있고, 600V에서는 70um 미만이 될 수 있습니다. 5세대와 6세대: 5세대 FS-IGBT와 6세대 FS-Trench는 이전 4가지 기술을 기반으로 한 다양한 기술적 대책을 재조합한 것입니다. 5세대 IGBT는 4세대 제품인 '투명 콜렉터 기술'과 '전계 차단 기술'을 결합한 제품입니다. 6세대 제품과 5세대 제품의 차이점은 트렌치 게이트 구조가 개선됐다는 점이다. 전기자동차 분야에서는 IGBT가 새로운 전력반도체 소자의 주류 소자로 활용되고 있으며, 철도교통, 신에너지자동차 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있습니다. 현재 생활 속도가 빨라짐에 따라 시장은 신에너지 자동차의 출력, 안전성, 가격에 대한 더욱 높은 기준을 제시하고 있으며, IGBT의 전류 밀도, 전력 손실, 안정성이 중요한 역할을 합니다.

전기자동차의 개발은 IGBT 모듈의 개발과 밀접한 관련이 있으며, 전기자동차와 충전소 및 관련 장비는 모두 IGBT 기술의 지원과 불가분의 관계에 있습니다. 전기자동차 생산 비용에서 IGBT 모듈은 10% 이상을 차지하며, 충전소 생산 비용의 약 1/5을 차지합니다. 전기 자동차 분야에서 IGBT는 주로 다음과 같은 용도로 사용됩니다. 1. 전기 자동차 제어 시스템 IGBT 기술은 고전력 DC/AC 인버터를 제어하고 모터 작동을 제어하는 데 사용됩니다. 컨버터는 AC 구동 시스템에서 견인의 핵심 부품이며, IGBT는 견인 컨버터의 핵심 부품입니다. 2. 차량용 에어컨 제어 시스템은 저전류 IGBT와 FRD를 사용하여 저전력 DC/AC 인버터를 제어합니다. 3. 충전 파일의 IGBT 모듈은 지능형 충전 파일의 스위칭 소자로서 사용됩니다.
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IGBT는 고전류 밀도, 저손실 최적화 기술, 고온 고전압 기술, 그리고 지능형 집적 기술 분야에서 우수한 성능을 보유하고 있습니다. 신에너지 자동차의 전력 모듈에 널리 사용되고 있으며, 향후 전망도 밝습니다. 그러나 IGBT 칩 최적화 기술을 전기자동차에 대량 적용하기 위해서는 트렌치 게이트의 미세화, 고온고압 저항성, 다기능 집적 기술을 더욱 최적화해야 합니다.

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