Elektrische apparaten verschenen halverwege de 20e eeuw. Na bijna 30 jaar ontwikkeling leidde de combinatie van MOS- en BJT-technologie tot de geboorte van de IGBT-technologie. Na voortdurende updates wordt IGBT op grote schaal gebruikt in voertuigen, lasapparatuur, de lucht- en ruimtevaart en andere sectoren. In dit artikel worden de structuur en het werkingsprincipe van IGBT geïntroduceerd en wordt de toepassing ervan op het gebied van elektrische voertuigen uiteengezet. Dit is nuttig voor professionals om het principe van IGBT en de technische ontwikkeling ervan op het gebied van elektrische voertuigen volledig te begrijpen.Met de verergering van de opwarming van de aarde en de verslechtering van het milieu heeft China, om de druk van energiebesparing en emissiereductie te verlichten, een hoog doel naar voren gebracht. Om het doel van energiebesparing en emissiereductie te bereiken, ondersteunt China krachtig de ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen. De tractie-omvormer van de kernenergieconversie-eenheid van de aandrijflijn van elektrische voertuigen kan de gelijkstroomuitvoer van de batterij omzetten in driefasige wisselstroom. Het veelvuldig starten en stoppen van het voertuig zorgt ervoor dat de vermogenshalfgeleiderapparaten in de omvormer verschillende impactkrachten opvangen. De vermogensdichtheid van de omvormer hangt nauw samen met het vermogen van een elektrisch voertuig. De vermogenshalfgeleiderapparaten van automobielvermogensmodules bestaan voornamelijk uit op siliciumcarbide gebaseerde vermogensmetaaloxidehalfgeleider-veldeffecttransistoren en geïsoleerde bipolaire transistoren (IGBT's).

IGBT behoort tot de samengestelde, volledig geregelde spanningsgestuurde vermogenshalfgeleiderapparaten, die bestaan uit een bipolaire transistor en een geïsoleerde gate-veldeffecttransistor. De voordelen hiervan zijn een hoge ingangsimpedantie en een lage geleidingsspanningsval. De verzadigingsspanning van de gigantische transistor is laag, de stroomdichtheid is hoog, maar de werkstroom is hoog. Metalen halfeffecttransistor heeft een laag werkvermogen en een hoge schakelsnelheid, maar heeft een grote schakelspanningsval en een lage stroomvoerende dichtheid. IGBT's hebben een laag stroomverbruik na inschakeling, wat kan worden beschouwd als een geleider, en een hoge weerstand na uitschakeling, wat kan worden beschouwd als een open circuit. Ze hebben drie kenmerken: hoge spanning, hoge stroomsterkte en hoge snelheid, laag bedrijfsvermogen en lage verzadigingsspanning, en zijn geschikt voor omvormersystemen met een DC-spanning van 600 V of hoger. Omdat elektrische voertuigen hoge eisen stellen aan de spanningsweerstand, hoge temperatuurbestendigheid, warmteafvoer en stabiliteit van de vermogenscomponenten, presteert IGBT over het algemeen beter dan MOSFET-transistoren. Daarom is IGBT momenteel uitgegroeid tot een veelgebruikt vermogenscomponent in de omvormer van elektrische voertuigen en heeft het een groot ontwikkelingspotentieel. De IGBT heeft een rooster G, een collector C en een emitter E en is een apparaat met drie aansluitingen. De IGBT heeft twee lagen P+-implantatiegebieden, die een grotere PN-overgang J1 vormen. Wanneer de IGBT op het circuit is aangesloten, worden er ladingsdragers uitgezonden vanuit het injectiegebied P+ naar het basisgebied N, wat de geleidbaarheid van het driftgebied kan aanpassen. De IGBT heeft daarom een sterke stroomcapaciteit. Het buffergebied is een N+-laag tussen het P+-implantaatgebied en het N-driftgebied. Of er IGBT in de buffer zit of niet, heeft verschillende kenmerken. IGBT met een N+-buffer wordt asymmetrische IGBT genoemd (ook wel punch-through IGBT genoemd). Deze IGBT heeft als voordelen dat de doorlaatspanningsval klein is, de uitschakeltijd kort is en de staartstroom bij het uitschakelen klein is. Het vermogen om omgekeerde spanning te blokkeren is echter relatief zwak. IGBT zonder N-buffer wordt symmetrische IGBT genoemd (ook wel non-punch-through IGBT genoemd). Deze IGBT heeft een sterk blokkerend vermogen in voorwaartse en achterwaartse richting en de overige eigenschappen zijn slechter dan die van punch-through IGBT.

  IGBT-stuurcircuit   Het IGBT-stuurcircuit is een Darlington-structuur, bestaande uit een GTR en een MOSFET. Deze wordt in- en uitgeschakeld door de positieve en negatieve spanning van de gate te regelen. Wanneer de gatespanning positief is, bevindt de Darlington-transistor, bestaande uit een GTR en een MOSFET, zich in een geleidende toestand; wanneer de gatespanning negatief is, bevindt de Darlington-transistor, bestaande uit een GTR en een MOSFET, zich in een uit-toestand, dat wil zeggen dat hij niet werkt. Het equivalente schema van het IGBT-stuurcircuit is weergegeven in Figuur 2. Dit circuit kan het pulsuitgangsvermogen van een single-chip microcomputer versterken om IGBT-voedingen indirect aan te sturen. De volt-ampèrekarakteristiek is vergelijkbaar met die van een bipolaire IGBT-reustransistor. Wanneer de stuurspanning UGE toeneemt, beweegt de karakteristiek omhoog. Door het niveau van UGE te wijzigen, kan de toestand van IGBT (uit-toestand, verzadigingstoestand) worden geregeld. Daarom wordt het vaak gebruikt bij het schakelen van voedingen.  

Het werkprincipe van IGBT   IGBT kan worden beschouwd als een PNP-transistor (aangestuurd door een MOSFET). Vergeleken met de gewone PNP-transistor is het basisgebied dikker. Het equivalente circuit is weergegeven in figuur 1(b). In de figuur is RN de modulatieweerstand in het basisgebied van de PNP-transistor, en is een MOSFET een N-kanaals veldeffecttransistor. De IGBT met deze structuur wordt N-kanaals IIGBT genoemd en het symbool is N-IGBT. Er zijn eveneens P-kanaals IGBT's, namelijk P-IGBT. Het elektrische grafische symbool van IGBT is weergegeven in figuur 1(c). IGBT is een veldbesturingsapparaat en de in- en uitschakeling ervan worden bepaald door de spanning UCE tussen de gate en de emitter. Als de inschakelspanning UCE(th) lager is dan de gate-emitterspanning UCE en de gatespanning positief is, ontvangt de PNP-transistor de stroom in het interne kanaal van de MOSFET en wordt de IGBT ingeschakeld. Op dit moment moduleren de dragers die het N-gebied vanuit het P+-gebied binnenkomen de geleidbaarheid van het N-gebied, waardoor de weerstand RN(N-gebied) geleidelijk afneemt en de IGBT een kleinere spanningsval in ingeschakelde toestand krijgt. Als de gate-emitterspanning UCE gelijk is aan nul of de sperspanning, wordt er geen kanaal gevormd in de MOSFET, komt er geen drager vanuit het P+-gebied het N-gebied binnen om de geleidbaarheid van het N-gebied te moduleren, en is er geen basisstroom in de transistor, waardoor de IGBT zal uitschakelen wanneer deze niet werkt. Het aandrijfprincipe van IGBT is als volgt. Wanneer UCE negatief is: de J3-overgang bevindt zich in de spervoorspanning en het apparaat in de sperblokkeringstoestand. Als UCE positief is:UC<UTH，Het kanaal kan niet worden gevormd en het apparaat bevindt zich in een voorwaarts blokkerende toestand;UG>UTH，Onder de geïsoleerde poort wordt een N-kanaal gevormd en vanwege de interactie van dragers wordt geleidingsmodulatie gegenereerd in het N-gebied, waardoor het apparaat voorwaarts geleidt.   1. doorbraak  
Het verschil tussen de structuur van een siliciumwafer en een vermogens-MOSFET is dat IGBT meer P+-substraat en een N+-bufferlaag heeft dan vermogens-MOSFET (IGBT heeft geen NPT-non-punch-through-structuur) en dat er een J1-overgang wordt gemaakt tussen het P_-gebied en het N+-gebied van de buisbehuizing door gebruik te maken van het substraat. Als de positieve gate-bias het P-basisgebied onder de gate omkeert, ontstaat er een N-kanaal in de IGBT. Op dat moment ontstaat er een elektronenstroom en een stroom in het kanaal. Wanneer de spanning van de gevormde elektronenstroom binnen het bereik van 0.7 V ligt, staat J1, die in het P_- en N+-gebied is gevestigd, in doorlaatrichting, en komen er gaten in het N-gebied terecht, waardoor de weerstand tussen het N- en N+-gebied verandert. Deze aanpassingsmethode vermindert het energieverbruik van de IGBT-geleiding en stuurt de tweede ladingsstroom aan. In de halfgeleider verschijnen tijdelijk twee verschillende stroomtopologieën, één MOSFET-elektronenstroom en één gatenstroom (bipolair).  
2. Geleidingsspanningsval  
Het geleidingsmodulatie-effect kan de waarde van weerstand RN en de aan-toestandsspanning verminderen. De zogenaamde 'aan-toestand spanningsval' verwijst naar de buisspanningsval UDS wanneer de IGBT in de 'aan'-toestand komt. Deze spanning neemt af naarmate de UCS stijgt.  
3. uitzetten  
Wanneer een negatieve voorspanning op de poort wordt aangelegd of de poortspanning lager is dan de drempelwaarde, wordt er geen kanaal gevormd en komen er geen gaten in het N-gebied. In alle gevallen zal de collectorstroom afnemen als de MOSFET-stroom te snel daalt in de schakelfase. Op dat moment, nadat de commutatie is gestart, blijven er nog enkele ladingsdragers in het N-gebied achter. De ladingsdichtheid bij het uitschakelen heeft rechtstreeks invloed op de vermindering van de reststroomwaarde. De ladingsdichtheid is gerelateerd aan het aantal en de topologie van onzuiverheden, de dikte en temperatuur van lagen, enz. Daarom wordt het verminderen van de reststroomwaarde (zog) beïnvloed door vele factoren en onzeker. De collectorstroom wordt beïnvloed door het verval van enkele resterende dragers in het N-gebied, en de karakteristieke zoggolfvorm verschijnt. Het karakteristieke collectorzog zal problemen veroorzaken zoals een hoog stroomverbruik en een verstoorde geleiding. Dit soort problemen zal zich vaker voordoen bij de uitrusting van vrijloopdioden. Omdat de reststroom nauw verwant is aan de recombinatie van minderheidsdragers, zou de huidige waarde van de reststroom een belangrijke relatie moeten hebben met Tc, IC, UCE en gatenmobiliteit van de chip.
4. Omgekeerde blokkering 
Als de collector de sperspanning krijgt, wordt de J-overgang van het P_-gebied en het N+-gebied beïnvloed door de spervoorspanning. Tegelijkertijd zal het blokkerende vermogen verloren gaan omdat de dikte van de laag te veel afneemt en de depletielaag zich zal uitbreiden tot het N-gebied. Bovendien zal de spanningsval continu toenemen als de gebiedsgrootte boven een bepaalde waarde toeneemt. 
5. Voorwaartse blokkering  
Als de collectoraansluiting een positieve spanning krijgt en de poort en de emitter worden kortgesloten, wordt de J-overgang tussen het P_-gebied en het N+-gebied bestuurd door sperspanning.  
6. klink  
PNPN-thyristor is parasitair tussen de collector en emitter van ICBT. Het thyristorgeleidingsverschijnsel wordt IGBT-latch-up genoemd. Onder bepaalde omstandigheden zal de PNPN-thyristor geleiden, zal de stroom tussen de collector en de emitter toenemen en zal het vermogen om de equivalente MOSFET aan te sturen afnemen, wat vaak leidt tot een defect van het apparaat.   En de ontwikkelingsgeschiedenis van IGBT-chips in elektrische voertuigen.   Terugkijkend op de ontwikkeling van stroomapparaten in de afgelopen decennia, in de jaren zestig, hadden bipolaire apparaten een kleine weerstand in de staat, een ingewikkeld stroomcontrole- en regelcircuit en een hoog stroomverbruik. Met de ontwikkeling van de industrie worden de vereisten van het vereenvoudigen van het aandrijfcircuit, het verminderen van de productiekosten, het schakelende energieverbruik en de spanningsval in de aan-toestand naar academische kringen gebracht. In de jaren negentig werd IGBT geproduceerd tegen de achtergrond van onderzoek naar MOS- en BJT-integratietechnologie. De opkomst van IGBT is niet bedoeld voor elektrische voertuigen. Met de verslechtering van het wereldwijde milieu hebben elektrische voertuigen zich echter ontwikkeld en is IGBT geleidelijk aan toegepast in de auto-industrie, transport, enz. Met de gezamenlijke ontwikkeling van elektrische voertuigen en IGBT zijn IGBT-chips een onmisbaar onderdeel geworden van elektrische voertuigen. Het ontwikkelingsproces van IGBT-chips voor elektrische voertuigen wordt weergegeven in Figuur 3. De eerste generatie: het prototype van de IGBT, die de spanningsbestendigheid moest verbeteren door de N-drift te verhogen, had een hoog stroomverbruik bij uitgeschakelde toestand en een hoge weerstand bij ingeschakelde toestand. Vanwege bovenstaande factoren werd de eerste generatie IGBT in het laboratorium stopgezet en niet op grote schaal gebruikt. De tweede generatie: PT-IGBT. De depletielaag dringt niet door de N+-bufferlaag heen en het elektrische veld in het basisgebied wordt trapeziumvormig versterkt. Het stroomverbruik wordt verlaagd door de chipdikte te verkleinen. Siemens was destijds het bedrijf dat IGBT-apparaten produceerde. Aan het einde van de 20e eeuw presteert BSM150GB120DN1 (DN1 staat voor het product van de eerste generatie), geproduceerd door Siemens, goed bij een spanning van 600 V, maar wanneer de spanning stijgt tot 1200 V, wordt de epitaxiale dikte groter en zijn de kosten relatief hoog. en de betrouwbaarheid neemt af (de uniformiteit van de dopingconcentratie en -dikte is slecht). De derde generatie: NPT-IGBT. Ionenimplantatietechnologie vervangt epitaxiale technologie om een P+-collector (transparante collectortechnologie) te genereren, die de overgangsdiepte goed kan regelen en een zo laag mogelijke emissie-efficiëntie kan garanderen. Uitschakelverlies wordt gerealiseerd door de extractie van dragers te versnellen. De oorspronkelijke levensduur van de drager in het basisgebied wordt in principe niet beïnvloed en de invloed op het steady-state stroomverbruik is vrijwel verwaarloosbaar. Op dit moment heeft de IGBT de kenmerken van een positieve temperatuurcoëfficiënt en presteert hij goed tussen het steady-state verlies en het uitschakelverlies. Op dit moment is Siemens nog steeds het representatieve bedrijf voor IGBT. Zij gebruiken de zone-smeltmethode ter vervanging van de uitgebreide batch-producten. De vierde generatie: Trench-IGBT. De vierde generatie biedt een grote verbetering ten opzichte van voorheen. Deze keer wordt de trenchstructuur gebruikt en verplaatst het kanaal zich van het vorige oppervlak naar het verticale oppervlak. Dit versterkt het PIN-effect in het basisgebied, verhoogt de concentratie van ladingsdragers nabij de gate, verbetert het geleidingsmodulatie-effect enigszins, vermindert de aan-weerstand en elimineert het JFET-effect. De gatedichtheid kan naar behoefte worden verhoogd. Bovendien blijft de vierde generatie de collector P+Implicit-technologie van de derde generatie erven en introduceert PT-technologie als veldstoplaag, die de weerstandsspanning verbetert. Infineon verving Siemens als leidende onderneming, en zijn verdunningstechnologie was destijds de eerste ter wereld. Bij 1200 V kan de dikte tussen 120 en 140 μm liggen, en bij 600 V kan deze onder de 70 μm liggen. De vijfde en zesde generatie: de vijfde generatie FS-IGBT en de zesde generatie FS-Trench zijn de combinatie van verschillende technische maatregelen op basis van de vier voorgaande technologieën. De vijfde generatie IGBT is een combinatie van de vierde generatie producten: "transparante collectortechnologie" en "elektrische veldstoptechnologie". Het verschil tussen het product van de zesde generatie en het product van de vijfde generatie is dat de sleufpoortstructuur is verbeterd. Op het gebied van elektrische voertuigen wordt IGBT gebruikt als het belangrijkste onderdeel van nieuwe vermogenshalfgeleiderapparaten, die op grote schaal worden gebruikt in het spoorvervoer, nieuwe energievoertuigen en andere sectoren. Tegenwoordig worden er door het versnelde levenstempo hogere eisen gesteld aan het vermogen, de veiligheid en de prijs van voertuigen op nieuwe energiebronnen. De stroomdichtheid, het vermogensverlies en de stabiliteit van IGBT spelen hierbij een belangrijke rol.

De ontwikkeling van elektrische voertuigen is nauw verbonden met de ontwikkeling van IGBT-modules. Elektrische voertuigen, laadpalen en bijbehorende apparatuur zijn dan ook onlosmakelijk verbonden met de ondersteuning van IGBT-technologie. IGBT-modules zijn goed voor ruim 10% van de productiekosten van elektrische voertuigen en maken bijna 1/5 uit van de productiekosten van laadpalen. Op het gebied van elektrische voertuigen wordt IGBT voornamelijk gebruikt voor de volgende doeleinden: 1. Besturingssysteem van elektrische voertuigen. IGBT-technologie wordt gebruikt om een krachtige DC/AC-omvormer te regelen en vervolgens de werking van de motor te regelen. De omvormer is de kerncomponent van de tractie in het AC-aandrijfsysteem en IGBT is het belangrijkste onderdeel van de tractieomvormer. 2. Het airconditioningsysteem van het voertuig maakt gebruik van IGBT en FRD met een lage stroomsterkte om een DC/AC-omvormer met laag vermogen te regelen. 3. De IGBT-module van de laadpaal wordt gebruikt als schakelelement in de intelligente laadpaal.
label 

IGBT presteert goed op het gebied van hoge stroomdichtheid, optimalisatie met laag verlies, hoge temperatuur- en hoogspanningstechnologie en intelligente integratietechnologie. Het wordt veel gebruikt in vermogensmodules van nieuwe energievoertuigen en heeft goede vooruitzichten. Om de grootschalige toepassing van IGBT-chipoptimalisatietechnologie voor elektrische voertuigen te realiseren, is het echter noodzakelijk om de fijnheid, de hoge temperatuur- en hoge drukbestendigheid en de multifunctionele integratietechnologie van de sleufpoort verder te optimaliseren.

Disclaimer: dit artikel is overgenomen uit "Semiconductor Online". Dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur en vertegenwoordigt niet de mening van Sacco Micro en de industrie. Het herdrukken en delen is alleen bedoeld om de bescherming van intellectuele eigendomsrechten te ondersteunen. Vermeld bij herdruk de originele bron en auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.

Bedrijf Tel: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 332496225 Manager Qiu
Adres: Kamer 809, Blok C, Zhantao Technology Building, No.1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen