Peranti kuasa muncul pada pertengahan abad ke-20. Selepas hampir 30 tahun pembangunan, gabungan teknologi MOS dan BJT melahirkan teknologi IGBT. Selepas pengemaskinian berterusan, IGBT telah digunakan secara meluas dalam kenderaan, kimpalan, aeroangkasa, dan bidang lain. Kertas kerja ini memperkenalkan struktur dan prinsip kerja IGBT, dan menerangkan aplikasinya dalam bidang kenderaan elektrik, yang membantu pengamal memahami sepenuhnya prinsip IGBT dan pembangunan teknikalnya dalam bidang kenderaan elektrik.Dengan peningkatan pemanasan global dan kemerosotan alam sekitar, untuk mengurangkan tekanan penjimatan tenaga dan pengurangan pelepasan, China telah mengemukakan matlamat yang tinggi. Untuk mencapai matlamat penjimatan tenaga dan pengurangan pelepasan, China bersungguh-sungguh menyokong pembangunan kenderaan tenaga baharu. Penyongsang daya tarikan unit penukaran tenaga teras bagi rangkaian kuasa kenderaan elektrik boleh menukar output DC daripada bateri kepada AC tiga fasa. Mula-henti kenderaan yang kerap menyebabkan peranti semikonduktor kuasa dalam penyongsang menanggung pelbagai daya hentaman. Ketumpatan kuasa penyongsang berkait rapat dengan keluaran kuasa kenderaan elektrik. Peranti semikonduktor kuasa modul kuasa automotif terutamanya termasuk transistor kesan medan semikonduktor oksida logam kuasa silikon karbida dan transistor bipolar get terlindung (IGBT).

IGBT tergolong dalam peranti semikonduktor kuasa dipacu voltan terkawal sepenuhnya, yang terdiri daripada transistor bipolar dan transistor kesan medan pintu terlindung, dan mempunyai kelebihan galangan input tinggi dan penurunan voltan pengaliran rendah. Voltan tepu transistor gergasi adalah rendah, ketumpatan arus tinggi, tetapi arus kerja tinggi. Transistor separuh kesan logam mempunyai kuasa kerja yang rendah dan kelajuan pensuisan yang cepat, tetapi ia mempunyai penurunan voltan pensuisan yang besar dan ketumpatan pembawa arus yang rendah. IGBT mempunyai penggunaan kuasa yang rendah selepas dihidupkan, yang boleh dianggap sebagai konduktor, dan rintangan tinggi apabila dimatikan, yang boleh dianggap sebagai litar terbuka. Ia mempunyai tiga ciri voltan tinggi, arus tinggi dan kelajuan tinggi, kuasa kerja rendah dan voltan tepu rendah, dan sesuai untuk sistem penukar dengan voltan DC 600 V atau ke atas. Oleh kerana kenderaan elektrik mempunyai keperluan tinggi untuk rintangan voltan, rintangan suhu tinggi, pelesapan haba dan kestabilan peranti kuasa, IGBT mempunyai prestasi komprehensif yang lebih baik daripada transistor MOSFET. Oleh itu, IGBT telah menjadi peranti kuasa arus perdana dalam penyongsang kenderaan elektrik pada masa ini, dan mempunyai potensi pembangunan yang besar. IGBT mempunyai grid G, pengumpul C dan pemancar E, dan merupakan peranti tiga terminal. IGBT mempunyai dua lapisan kawasan implantasi P+, yang membentuk persimpangan PN J1 yang lebih besar. Apabila IGBT disambungkan ke litar, sesetengah pembawa dipancarkan dari kawasan suntikan P+ ke kawasan asas N, yang boleh melaraskan kekonduksian kawasan hanyut. Oleh itu, IGBT mempunyai kapasiti arus yang kuat. Rantau penampan ialah lapisan N+ antara kawasan implan P+ dan kawasan hanyut N-. Sama ada terdapat IGBT dalam penimbal atau tidak menunjukkan ciri yang berbeza. IGBT dengan penimbal N+ dipanggil IGBT asimetri (juga dipanggil IGBT punch-through), yang mempunyai kelebihan penurunan voltan ke hadapan kecil, masa mematikan anjing pendek dan arus ekor kecil apabila dimatikan, tetapi keupayaan menyekat songsangnya agak lemah. IGBT tanpa penimbal N dipanggil simetri IGBT (juga dipanggil IGBT bukan tebukan), yang mempunyai keupayaan menyekat yang kuat dalam arah hadapan dan belakang, dan ciri-cirinya yang lain adalah lebih teruk daripada IGBT tebukan.

  Litar pemanduan IGBT   Litar pemanduan IGBT ialah struktur Darlington yang terdiri daripada GTR dan MOSFET, yang dihidupkan dan dimatikan dengan mengawal voltan positif dan negatif pintu pagar. Apabila voltan get positif, transistor Darlington yang terdiri daripada GTR dan MOSFET berada dalam keadaan pengalir; Apabila voltan get negatif, transistor Darlington yang terdiri daripada GTR dan MOSFET berada dalam keadaan mati, iaitu, ia tidak berfungsi. Gambar rajah litar setara litar pemacu IGBT ditunjukkan dalam Rajah 2. Litar ini boleh menguatkan kuasa output nadi mikrokomputer cip tunggal untuk secara tidak langsung memacu peranti kuasa IGBT untuk berfungsi. Lengkung ciri volt-ampere adalah serupa dengan transistor gergasi bipolar IGBT. Apabila voltan kawalan UGE meningkat, lengkung ciri bergerak ke atas. Menukar tahap UGE boleh mengawal keadaan IGBT (keadaan luar, keadaan tepu), jadi ia sering digunakan dalam pensuisan bekalan kuasa.  

Prinsip kerja IGBT   IGBT boleh dianggap sebagai transistor PNP (didorong oleh MOSFET). Berbanding dengan transistor PNP biasa, kawasan asasnya lebih tebal. Litar setara ditunjukkan dalam Rajah 1(b). Dalam rajah, RN ialah perintang modulasi di kawasan asas transistor PNP, dan MOSFET ialah transistor kesan medan saluran N. IGBT dengan struktur ini dipanggil IGBT saluran N, dan simbolnya ialah N-IGBT. Begitu juga terdapat P-channel IGBT iaitu P-IGBT. Simbol grafik elektrik IGBT ditunjukkan dalam rajah. 1(c). IGBT ialah peranti kawalan medan, dan menghidupkan dan mematikannya ditentukan oleh voltan UCE antara pintu dan pemancar. Jika voltan hidupan UCE(th) adalah kurang daripada voltan pemancar get UCE dan voltan get adalah positif, transistor PNP menerima arus dalam saluran dalaman MOSFET, dan IGBT dihidupkan. Pada masa ini, pembawa yang memasuki rantau N- dari rantau P+ memodulasi kekonduksian rantau N-, dan rintangan RN(rantau N-) akan berkurangan secara beransur-ansur, dan IGBT akan mendapat penurunan voltan pada keadaan yang lebih kecil. Jika voltan pemancar get UCE sama dengan sifar atau voltan terbalik, tiada saluran akan terbentuk dalam MOSFET, tiada pembawa akan memasuki rantau N- dari rantau P+ untuk memodulasi kekonduksian rantau N-, dan tidak akan ada arus asas dalam transistor, jadi IGBT akan dimatikan apabila ia tidak berfungsi. Prinsip pemanduan IGBT adalah seperti berikut. Apabila UCE negatif: simpang J3 berada dalam keadaan pincang songsang dan peranti berada dalam keadaan menyekat songsang. Apabila UCE positif:UC< UTH，Saluran tidak boleh dibentuk, dan peranti berada dalam keadaan menyekat ke hadapan;UG>UTH，Di bawah pintu terlindung, saluran N terbentuk, dan disebabkan oleh interaksi pembawa, modulasi konduktans dijana di rantau N-, yang menjadikan peranti berjalan ke hadapan.   1. pemecahan  
Perbezaan antara struktur wafer silikon dan MOSFET kuasa ialah IGBT mempunyai lebih banyak substrat P+ dan lapisan penimbal N+ daripada MOSFET kuasa (IGBT tidak mempunyai struktur NPT- bukan tebuk-melalui), dan simpang J1 diwujudkan antara rantau P_ dan kawasan N+ badan tiub dengan menggunakan substrat. Jika pincang get positif menyongsangkan kawasan asas P di bawah get, saluran N akan terbentuk di dalam IGBT. Pada masa ini, aliran elektron dan arus akan terbentuk dalam saluran. Apabila voltan arus elektron yang terbentuk berada dalam julat 0.7 V, J1 yang ditubuhkan di rantau P_ dan rantau N+ berada dalam pincang ke hadapan, dan beberapa lubang masuk ke rantau N-, yang akan mengubah kerintangan antara rantau N- dan rantau N+. Kaedah pelarasan ini mengurangkan penggunaan tenaga pengaliran IGBT dan memacu aliran cas kedua. Dua topologi arus yang berbeza, satu arus elektron MOSFET dan satu arus lubang (bipolar), muncul buat sementara waktu dalam semikonduktor.  
2. Kejatuhan voltan pengaliran  
Kesan modulasi kekonduksian boleh mengurangkan nilai rintangan RN dan voltan pada keadaan. Penurunan voltan pada keadaan yang dipanggil merujuk kepada penurunan voltan tiub UDS apabila IGBT memasuki keadaan hidup, dan voltan ini berkurangan dengan kenaikan UCS.  
3. mematikan  
Apabila voltan pincang negatif dikenakan pada get atau voltan get lebih rendah daripada nilai ambang, tiada saluran akan terbentuk dan tiada lubang akan memasuki rantau N-. Dalam semua kes, jika arus MOSFET turun terlalu cepat dalam peringkat pensuisan, arus pengumpul akan berkurangan. Pada masa ini, selepas pertukaran bermula, beberapa pembawa masih kekal di rantau N. Ketumpatan cas semasa mematikan secara langsung akan menjejaskan pengurangan nilai arus baki. Ketumpatan cas adalah berkaitan dengan bilangan dan topologi kekotoran, ketebalan dan suhu lapisan, dsb. Oleh itu, pengurangan nilai arus baki (bangun) dipengaruhi oleh banyak faktor dan tidak pasti. Arus pengumpul dipengaruhi oleh pereputan beberapa pembawa sisa di rantau N, dan bentuk gelombang bangun ciri muncul. Ciri pengumpul bangun akan menyebabkan masalah seperti penggunaan kuasa yang tinggi dan pengaliran yang tidak teratur. Masalah seperti ini akan menjadi lebih ketara dalam peralatan diod freewheeling. Oleh kerana arus baki berkait rapat dengan penggabungan semula pembawa minoriti, nilai semasa arus baki harus mempunyai hubungan penting dengan Tc, IC, UCE dan mobiliti lubang cip.
4. Sekatan terbalik 
Jika pemungut mendapat voltan songsang, simpang J rantau P_ dan rantau N+ akan dipengaruhi oleh voltan pincang songsang. Pada masa yang sama, keupayaan menyekat akan hilang kerana ketebalan lapisan berkurangan terlalu banyak, dan lapisan penyusutan akan memanjang ke rantau N-. Di samping itu, jika saiz rantau meningkat melebihi nilai tertentu, penurunan voltan akan meningkat secara berterusan. 
5. Menghalang ke hadapan  
Jika terminal pengumpul mendapat voltan positif dan get dan pemancar terpintas, persimpangan J antara rantau P_ dan rantau N+ dikawal oleh voltan terbalik.  
6. selak  
PNPN thyristor adalah parasit antara pengumpul dan pemancar ICBT. Fenomena pengaliran thyristor dipanggil selak IGBT. Di bawah keadaan tertentu, thyristor PNPN akan mengalir, arus antara pengumpul dan pemancar akan meningkat, dan keupayaan untuk mengawal MOSFET yang setara akan berkurangan, yang sering membawa kepada kerosakan peranti.   Dan sejarah pembangunan cip IGBT dalam kenderaan elektrik.   Mengimbas kembali perkembangan peranti kuasa dalam dekad yang lalu, pada tahun 1960-an, peranti bipolar mempunyai rintangan pada keadaan yang kecil, litar kawalan dan kawalan arus yang rumit, dan penggunaan kuasa yang tinggi. Dengan perkembangan industri, keperluan untuk memudahkan litar pemanduan, mengurangkan kos pembuatan, penggunaan kuasa pensuisan dan penurunan voltan dalam keadaan dikemukakan kepada kalangan akademik. Pada tahun 1990-an, IGBT telah dihasilkan di bawah latar belakang penyelidikan teknologi integrasi MOS dan BJT. Kemunculan IGBT bukan untuk perkhidmatan kenderaan elektrik. Walau bagaimanapun, dengan kemerosotan persekitaran global, kenderaan elektrik telah dibangunkan, dan IGBT telah mula digunakan secara beransur-ansur dalam bidang kereta, pengangkutan, dan lain-lain. Dengan pembangunan biasa kenderaan elektrik dan IGBT, cip IGBT telah menjadi bahagian yang sangat diperlukan bagi kenderaan elektrik. Proses pembangunan cip IGBT untuk kenderaan elektrik ditunjukkan dalam Rajah 3. Generasi pertama: prototaip IGBT, yang perlu meningkatkan voltan tahan dengan meningkatkan N-hanyut, mempunyai penggunaan off-power yang tinggi dan on-rintangan. Disebabkan faktor di atas, IGBT generasi pertama berhenti di makmal dan tidak digunakan secara meluas. Generasi kedua: PT-IGBT. Lapisan penyusutan gagal menembusi lapisan penimbal N+, dan medan elektrik di kawasan asas diperkukuh dalam taburan trapezoid. Penggunaan kuasa dikurangkan dengan mengurangkan ketebalan cip. Siemens ialah syarikat perwakilan yang mengeluarkan peranti IGBT pada masa itu. Pada akhir abad ke-20, BSM150GB120DN1 (DN1 bermaksud produk generasi pertama) yang dihasilkan oleh Siemens mempunyai prestasi yang baik pada voltan 600V, tetapi apabila voltan meningkat kepada 1200 V, ketebalan epitaxial menjadi lebih besar, kosnya agak tinggi, dan kebolehpercayaan berkurangan (keseragaman kepekatan dan ketebalan doping adalah lemah). Generasi ketiga: NPT-IGBT. Teknologi implantasi ion menggantikan teknologi epitaxial untuk menjana pengumpul P+ (teknologi pengumpul lutsinar), yang boleh mengawal kedalaman simpang dengan baik dan memastikan kecekapan pelepasan serendah mungkin. Kerugian mematikan direalisasikan dengan mempercepatkan pengekstrakan pembawa. Hayat pembawa asal kawasan asas tidak terjejas pada asasnya, dan pengaruh ke atas penggunaan kuasa keadaan mantap hampir boleh diabaikan. Pada masa ini, IGBT mempunyai ciri-ciri pekali suhu positif, dan berprestasi baik antara kehilangan keadaan mantap dan kehilangan turn-off. Pada masa ini, syarikat perwakilan IGBT masih Siemens, yang menggunakan kaedah lebur zon untuk menggantikan produk kelompok lanjutan. Generasi keempat: Trench-IGBT. Generasi keempat mempunyai peningkatan yang hebat berbanding dengan masa lalu. Kali ini, struktur parit digunakan, dan saluran bergerak dari permukaan sebelumnya ke permukaan menegak, yang meningkatkan kesan PIN di kawasan asas, meningkatkan kepekatan pembawa berhampiran pintu masuk, meningkatkan kesan modulasi konduktans sedikit sebanyak, mengurangkan rintangan pada dan menghapuskan kesan JFET. Ketumpatan pintu boleh ditingkatkan mengikut keperluan. Di samping itu, generasi keempat terus mewarisi teknologi pengumpul P+Implicit generasi ketiga, dan memperkenalkan teknologi PT sebagai lapisan henti medan, yang meningkatkan voltan tahan. Infineon menggantikan Siemens sebagai perusahaan terkemuka, dan teknologi penipisannya adalah yang pertama di dunia pada masa itu. Pada 1200 V, ketebalannya boleh antara 120 dan 140 um, dan pada 600V, ia boleh berada di bawah 70 um. Generasi kelima dan keenam: FS-IGBT generasi kelima dan FS-Trench generasi keenam ialah penggabungan semula pelbagai langkah teknikal berdasarkan empat teknologi sebelumnya. IGBT generasi kelima ialah gabungan produk generasi keempat "teknologi pengumpul telus" dan "teknologi berhenti medan elektrik". Perbezaan antara produk generasi keenam dan produk generasi kelima ialah struktur pintu parit diperbaiki. Dalam bidang kenderaan elektrik, IGBT digunakan sebagai peranti arus perdana peranti semikonduktor kuasa baharu, yang digunakan secara meluas dalam transit rel, kenderaan tenaga baharu dan bidang lain. Pada masa ini, dengan kadar kehidupan yang dipercepatkan, pasaran mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk kuasa, keselamatan dan harga kenderaan tenaga baharu, dan ketumpatan semasa, kehilangan kuasa dan kestabilan IGBT memainkan peranan penting.

Pembangunan kenderaan elektrik berkait rapat dengan pembangunan modul IGBT, dan kenderaan elektrik, cerucuk pengecasan dan peralatan berkaitan semuanya tidak dapat dipisahkan daripada sokongan teknologi IGBT. Dalam kos pengeluaran kenderaan elektrik, modul IGBT menyumbang lebih daripada 10%, menyumbang hampir 1/5 daripada kos pengeluaran mengecas cerucuk. Dalam bidang kenderaan elektrik, IGBT digunakan terutamanya dalam aspek berikut: 1. Sistem kawalan kenderaan elektrik Teknologi IGBT digunakan untuk mengawal penyongsang DC/AC berkuasa tinggi dan kemudian mengawal operasi motor. Penukar ialah komponen teras daya tarikan dalam sistem pemacu AC, dan IGBT ialah komponen utama penukar daya tarikan. 2. Sistem kawalan penghawa dingin kenderaan menggunakan IGBT dan FRD dengan arus rendah untuk mengawal penyongsang DC/AC berkuasa rendah. 3. Modul IGBT cerucuk pengecasan digunakan sebagai elemen pensuisan dalam cerucuk pengecasan pintar.
tag 

IGBT mempunyai prestasi yang baik dalam ketumpatan arus tinggi, teknologi pengoptimuman kehilangan rendah, suhu tinggi dan teknologi voltan tinggi dan teknologi integrasi pintar. Ia telah digunakan secara meluas dalam modul kuasa kenderaan tenaga baharu dan mempunyai prospek yang baik. Walau bagaimanapun, untuk merealisasikan aplikasi berskala besar teknologi pengoptimuman cip IGBT untuk kenderaan elektrik, adalah perlu untuk mengoptimumkan lagi kehalusan, suhu tinggi dan rintangan tekanan tinggi dan teknologi penyepaduan pelbagai fungsi pintu parit.

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "Semikonduktor Dalam Talian". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi pengarang, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk mencetak semula dan berkongsi untuk menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber dan pengarang asal semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.

Tel Syarikat: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Pengurus Qiu
Alamat: Bilik 809, Blok C, Bangunan Teknologi Zhantao, No.1079 Minzhi Avenue, Daerah Baru Longhua, Shenzhen