Porozmawiaj o zastosowaniu i rozwoju technologii IGBT w pojazdach elektrycznych

  Urządzenia mocy pojawiły się w połowie XX wieku. Po prawie 20 latach rozwoju, połączenie technologii MOS i BJT dało początek technologii IGBT. Dzięki ciągłym udoskonaleniom IGBT znalazł szerokie zastosowanie w pojazdach, spawalnictwie, lotnictwie i innych dziedzinach. W artykule tym przedstawiono strukturę i zasadę działania IGBT oraz wyjaśniono jego zastosowanie w dziedzinie pojazdów elektrycznych. Jest to pomocne dla praktyków, którzy chcą w pełni zrozumieć zasadę działania IGBT i jego rozwój techniczny w dziedzinie pojazdów elektrycznych.W obliczu pogłębiającego się globalnego ocieplenia i degradacji środowiska, Chiny postawiły sobie ambitny cel, aby złagodzić presję związaną z oszczędzaniem energii i redukcją emisji. Aby osiągnąć cel, jakim jest oszczędność energii i redukcja emisji, Chiny energicznie wspierają rozwój nowych pojazdów energetycznych. Falownik trakcyjny jednostki konwersji energii rdzeniowej układu napędowego pojazdu elektrycznego może przekształcać sygnał wyjściowy prądu stałego z akumulatora na trójfazowy prąd przemienny. Częste start-stop pojazdu powoduje, że elementy półprzewodnikowe mocy w falowniku przenoszą różne siły uderzeniowe. Gęstość mocy falownika jest ściśle powiązana z mocą wyjściową pojazdu elektrycznego. Urządzenia półprzewodnikowe mocy w modułach zasilania samochodów obejmują głównie tranzystory polowe z półprzewodnikiem metalowo-tlenkowym na bazie węglika krzemu oraz tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT).

IGBT należy do złożonych, w pełni sterowanych napięciowo półprzewodnikowych urządzeń mocy, które składają się z tranzystora bipolarnego i izolowanego tranzystora polowego bramkowego. Ich zaletami są wysoka impedancja wejściowa i niski spadek napięcia przewodzenia. Napięcie nasycenia gigantycznego tranzystora jest niskie, gęstość prądu jest wysoka, ale prąd roboczy jest wysoki. Metalowy tranzystor półefektowy ma niską moc roboczą i dużą prędkość przełączania, ale ma duży spadek napięcia przełączania i niską gęstość przewodzenia prądu. Tranzystor IGBT charakteryzuje się niskim poborem mocy po włączeniu, co można uznać za przewodnik, oraz wysoką rezystancją po wyłączeniu, co można uznać za obwód otwarty. Charakteryzuje się trzema cechami: wysokim napięciem, wysokim prądem i dużą prędkością, niską mocą roboczą i niskim napięciem nasycenia. Nadaje się do układów przetwornic o napięciu stałym 600 V lub wyższym. Ponieważ pojazdy elektryczne mają wysokie wymagania dotyczące rezystancji napięciowej, odporności na wysoką temperaturę, odprowadzania ciepła i stabilności elementów mocy, tranzystory IGBT oferują lepsze parametry niż tranzystory MOSFET. Dlatego też tranzystory IGBT stały się obecnie głównym elementem mocy w falownikach pojazdów elektrycznych i mają ogromny potencjał rozwojowy. Tranzystor IGBT składa się z siatki G, kolektora C i emitera E i jest urządzeniem trójzaciskowym. Tranzystor IGBT ma dwie warstwy obszarów implantacji P+, które tworzą większe złącze PN-J1. Po podłączeniu tranzystora IGBT do obwodu, część nośników jest emitowana z obszaru wtrysku P+ do obszaru bazy N, co może regulować przewodność obszaru dryfu. Dzięki temu tranzystor IGBT charakteryzuje się dużą wydajnością prądową. Obszar buforowy to warstwa N+ pomiędzy obszarem implantu P+ a obszarem dryfu N. Obecność lub brak IGBT w buforze wskazuje na różne cechy. Tranzystor IGBT z buforem N+ nazywany jest asymetrycznym tranzystorem IGBT (nazywanym również tranzystorem IGBT typu punch-through), a jego zaletami są mały spadek napięcia przewodzenia, krótki czas wyłączania i mały prąd przy wyłączaniu, jednak jego zdolność blokowania wstecznego jest stosunkowo słaba. Tranzystor IGBT bez bufora N nazywany jest tranzystorem IGBT symetrycznym (nazywanym również tranzystorem IGBT nieprzebijalnym), który charakteryzuje się silną zdolnością blokowania w kierunkach do przodu i do tyłu, a jego pozostałe właściwości są gorsze od tranzystora IGBT przebijanego.

  Obwód sterujący IGBT   Układ sterujący IGBT to struktura Darlingtona złożona z GTR i MOSFET-a, która jest włączana i wyłączana poprzez sterowanie dodatnim i ujemnym napięciem bramki. Gdy napięcie bramki jest dodatnie, tranzystor Darlingtona złożony z GTR i MOSFET-a jest w stanie przewodzenia; gdy napięcie bramki jest ujemne, tranzystor Darlingtona złożony z GTR i MOSFET-a jest w stanie wyłączonym, czyli nie działa. Schemat zastępczy układu sterującego IGBT przedstawiono na rysunku 2. Układ ten może wzmacniać impulsową moc wyjściową mikrokomputera jednoprocesorowego, aby pośrednio sterować pracą elementów mocy IGBT. Krzywa charakterystyki woltoamperowej jest podobna do charakterystyki gigantycznego tranzystora bipolarnego IGBT. Wraz ze wzrostem napięcia sterującego UGE, krzywa charakterystyki przesuwa się w górę. Zmiana poziomu UGE może sterować stanem IGBT (stan wyłączony, stan nasycenia), dlatego jest często stosowany w przełączaniu zasilania.  

Zasada działania IGBT   IGBT można traktować jako tranzystor PNP (sterowany przez MOSFET). W porównaniu ze zwykłym tranzystorem PNP, jego baza jest grubsza. Schemat zastępczy pokazano na rysunku 1(b). Na rysunku RN to rezystor modulacyjny w bazie tranzystora PNP, a MOSFET to tranzystor polowy z kanałem N. IGBT o takiej strukturze nazywany jest IIGBT z kanałem N, a jego symbol to N-IGBT. Podobnie istnieją IGBT z kanałem P, a mianowicie P-IGBT. Symbol graficzny IGBT przedstawiono na rysunku 1(c). IGBT jest elementem sterującym polem, a jego włączanie i wyłączanie jest określone przez napięcie UCE między bramką a emiterem. Jeśli napięcie włączenia UCE(th) jest mniejsze niż napięcie bramka-emiter UCE, a napięcie bramki jest dodatnie, tranzystor PNP otrzymuje prąd w kanale wewnętrznym MOSFET-a i IGBT włącza się. W tym momencie nośniki wchodzące do obszaru N z obszaru P+ modulują przewodnictwo obszaru N, a rezystancja RN (obszar N) będzie stopniowo spadać, a IGBT będzie miał mniejszy spadek napięcia w stanie włączenia. Jeśli napięcie bramka-emiter UCE jest równe zeru lub napięciu wstecznemu, w tranzystorze MOSFET nie powstanie żaden kanał, żaden nośnik nie wejdzie do obszaru N z obszaru P+, aby modulować przewodnictwo obszaru N, a w tranzystorze nie będzie prądu bazy, więc IGBT wyłączy się, gdy nie będzie działać. Zasada sterowania IGBT jest następująca. Gdy UCE jest ujemne: złącze J3 jest w stanie polaryzacji zaporowej, a element jest w stanie blokowania wstecznego. Gdy UCE jest dodatnie:UC< UTH, kanał nie może zostać utworzony, a urządzenie znajduje się w stanie blokowania w kierunku przewodzenia;UG>UTH, pod izolowaną bramką powstaje kanał N, a na skutek oddziaływania nośników w obszarze N generowana jest modulacja przewodnictwa, która powoduje, że urządzenie przewodzi w kierunku przewodzenia.   1. przełamanie  
Różnica pomiędzy strukturą płytki krzemowej a tranzystorem MOSFET polega na tym, że tranzystor IGBT ma więcej podłoża P+ i warstwę buforową N+ niż tranzystor MOSFET (tranzystor IGBT nie ma struktury NPT - nieprzebijalnej), a złącze J1 powstaje między obszarem P_ a obszarem N+ korpusu lampy przy użyciu podłoża. Jeśli dodatnie napięcie bramki odwróci obszar bazy P pod bramką, wewnątrz tranzystora IGBT powstanie kanał N. W tym momencie w kanale powstanie przepływ elektronów i prąd. Gdy napięcie prądu elektronów formowanych mieści się w zakresie 0.7 V, złącze J1 utworzone w obszarze P_, a obszar N+ jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a niektóre dziury wchodzą do obszaru N-, co zmienia rezystywność między obszarem N- a obszarem N+. Ta metoda regulacji zmniejsza zużycie energii przez przewodzenie tranzystora IGBT i napędza drugi przepływ ładunku. W półprzewodniku tymczasowo pojawiają się dwie różne topologie prądu: prąd elektronowy tranzystora MOSFET i prąd dziurowy (bipolarny).  
2. Spadek napięcia przewodzenia  
Efekt modulacji przewodności może zmniejszyć wartość rezystancji RN i napięcie w stanie włączenia. Tak zwany spadek napięcia w stanie włączenia odnosi się do spadku napięcia na lampie UDS, gdy tranzystor IGBT przechodzi w stan włączenia, a napięcie to maleje, a UCS rośnie.  
3. wyłączyć  
Kiedy do bramki zostanie przyłożone ujemne napięcie polaryzacji lub napięcie bramki będzie niższe niż wartość progowa, nie zostanie utworzony żaden kanał i żadne dziury nie przedostaną się do obszaru N. We wszystkich przypadkach, jeśli prąd MOSFET-a spadnie zbyt szybko w fazie przełączania, prąd kolektora spadnie. W tym momencie, po rozpoczęciu komutacji, kilka nośników nadal pozostaje w obszarze N. Gęstość ładunku przy wyłączeniu będzie miała bezpośredni wpływ na zmniejszenie wartości prądu różnicowego. Gęstość ładunku jest powiązana z liczbą i topologią zanieczyszczeń, grubością i temperaturą warstw itp. Dlatego też na zmniejszenie wartości prądu różnicowego (sydu) ma wpływ wiele czynników i jest ono niepewne. Na prąd kolektora wpływa zanik niektórych nośników resztkowych w obszarze N i pojawia się charakterystyczny przebieg fali. Charakterystyczne wzbudzenie kolektora będzie powodować problemy, takie jak duży pobór mocy i zaburzenia przewodzenia. Tego typu problemy będą bardziej widoczne w przypadku urządzeń z diodami gaszącymi. Ponieważ prąd różnicowy jest ściśle powiązany z rekombinacją nośników mniejszościowych, bieżąca wartość prądu różnicowego powinna mieć istotny związek z Tc, IC, UCE i ruchliwością dziury w chipie.
4. Odwrotne blokowanie 
Jeżeli kolektor otrzyma napięcie wsteczne, na złącze J obszaru P_ i obszaru N+ będzie oddziaływać napięcie polaryzacji zaporowej. Jednocześnie zdolność blokowania zostanie utracona, ponieważ grubość warstwy zbytnio się zmniejszy, a warstwa zubożona rozciągnie się na obszar N. Ponadto, jeśli rozmiar obszaru wzrośnie powyżej określonej wartości, spadek napięcia będzie stale wzrastał. 
5. Blokowanie do przodu  
Jeśli na zacisku kolektora pojawi się napięcie dodatnie, a bramka i emiter zostaną zwarte, złącze J pomiędzy obszarem P_ i obszarem N+ jest sterowane napięciem wstecznym.  
6. zatrzask  
Tyrystor PNPN jest pasożytem pomiędzy kolektorem a emiterem ICBT. Zjawisko przewodzenia tyrystora nazywane jest zatrzaskiem IGBT. W pewnych warunkach tyrystor PNPN będzie przewodził, prąd między kolektorem i emiterem wzrośnie, a zdolność sterowania równoważnym tranzystorem MOSFET zmniejszy się, co często prowadzi do awarii urządzenia.   I historia rozwoju układów scalonych IGBT w pojazdach elektrycznych.   Patrząc wstecz na rozwój urządzeń elektroenergetycznych w ostatnich dziesięcioleciach, w latach 1960. XX wieku urządzenia bipolarne charakteryzowały się małą rezystancją w stanie włączenia, skomplikowanym obwodem sterowania i sterowania prądem oraz dużym zużyciem energii. Wraz z rozwojem przemysłu w kręgach akademickich wysuwane są wymagania dotyczące uproszczenia obwodu sterującego, zmniejszenia kosztów produkcji, poboru mocy przełączania i spadku napięcia w stanie włączenia. W latach 1990. ubiegłego wieku produkcja IGBT odbywała się w ramach badań nad technologią integracji MOS i BJT. Pojawienie się IGBT nie było przeznaczone do pojazdów elektrycznych. Jednak wraz z pogarszaniem się stanu środowiska na świecie, nastąpił rozwój pojazdów elektrycznych, a IGBT stopniowo zaczęto stosować w motoryzacji, transporcie itp. Wraz z powszechnym rozwojem pojazdów elektrycznych i IGBT, chipy IGBT stały się niezbędnym elementem pojazdów elektrycznych. Proces rozwoju układów scalonych IGBT dla pojazdów elektrycznych pokazano na rysunku 3. Pierwsza generacja: prototyp IGBT, który wymaga poprawy napięcia wytrzymywanego poprzez zwiększenie dryftu N, charakteryzuje się wysokim poborem mocy w stanie spoczynku i wysoką rezystancją w stanie przewodzenia. Z powodu powyższych czynników, IGBT pierwszej generacji zakończył prace laboratoryjne i nie znalazł szerokiego zastosowania. Druga generacja: PT-IGBT. Warstwa zubożona nie przenika przez warstwę buforową N+, a pole elektryczne w obszarze podstawy ulega wzmocnieniu w rozkładzie trapezowym. Zużycie energii zmniejsza się dzięki zmniejszeniu grubości chipa. Siemens był wówczas reprezentatywną firmą produkującą urządzenia IGBT. Pod koniec XX wieku BSM20GB150DN120 (DN1 oznacza produkt pierwszej generacji) wyprodukowany przez firmę Siemens ma dobre działanie przy napięciu 1 V, ale gdy napięcie wzrasta do 600 V, grubość epitaksjalna staje się większa, koszt jest stosunkowo wysoki, i niezawodność maleje (jednorodność stężenia i grubości domieszki jest słaba). Trzecia generacja: NPT-IGBT. Technologia implantacji jonów zastępuje technologię epitaksjalną, aby wytworzyć kolektor P+ (technologia kolektora przezroczystego), który pozwala na dobrą kontrolę głębokości złącza i zapewnia najniższą możliwą wydajność emisji. Strata wyłączająca realizowana jest poprzez przyspieszenie ekstrakcji nośnika. Pierwotna żywotność nośników w obszarze bazowym nie ulega zasadniczemu naruszeniu, a wpływ na pobór mocy w stanie ustalonym jest praktycznie pomijalny. W tym momencie tranzystor IGBT charakteryzuje się dodatnim współczynnikiem temperaturowym i charakteryzuje się dobrą stabilnością między stratami w stanie ustalonym a stratami przy wyłączaniu. Obecnie firmą reprezentatywną w dziedzinie IGBT jest nadal Siemens, która stosuje metodę topienia strefowego w celu zastąpienia produktów o wydłużonych seriach. Czwarta generacja: Trench-IGBT. Czwarta generacja oferuje znaczne udoskonalenie w porównaniu z poprzednimi wersjami. Tym razem zastosowano strukturę rowkową, a kanał przemieszcza się z poprzedniej powierzchni do pionowej, co wzmacnia efekt PIN w obszarze bazy, zwiększa koncentrację nośników w pobliżu bramki, w pewnym stopniu poprawia efekt modulacji przewodnictwa, zmniejsza rezystancję przewodzenia i eliminuje efekt JFET. Gęstość bramki można zwiększyć w razie potrzeby. Ponadto czwarta generacja w dalszym ciągu dziedziczy technologię kolektora P+Implicit z trzeciej generacji i wprowadza technologię PT jako warstwę zatrzymującą pole, co poprawia napięcie wytrzymywane. Infineon zastąpił Siemensa na pozycji wiodącego przedsiębiorstwa, a jego technologia przerzedzania była wówczas pierwszą na świecie. Przy napięciu 1200 V jego grubość może wynosić od 120 do 140 µm, a przy 600 V może wynosić poniżej 70 µm. Piąta i szósta generacja: piąta generacja FS-IGBT i szósta generacja FS-Trench stanowią rekombinację różnych środków technicznych bazujących na czterech poprzednich technologiach. Piąta generacja IGBT stanowi połączenie technologii kolektora przezroczystego czwartej generacji i technologii zatrzymywania pola elektrycznego. Różnica między produktem szóstej generacji a produktem piątej generacji polega na ulepszeniu konstrukcji bramy wykopowej. W dziedzinie pojazdów elektrycznych IGBT jest stosowany jako główne urządzenie nowych urządzeń półprzewodnikowych, szeroko stosowanych w transporcie szynowym, pojazdach o nowych źródłach energii i innych dziedzinach. Obecnie, w związku z rosnącym tempem życia, rynek stawia wyższe wymagania dotyczące mocy, bezpieczeństwa i ceny nowych pojazdów zasilanych energią elektryczną, a gęstość prądu, straty mocy i stabilność IGBT odgrywają istotną rolę.

Rozwój pojazdów elektrycznych jest ściśle związany z rozwojem modułów IGBT, a pojazdy elektryczne, stacje ładowania i związany z nimi sprzęt są nierozerwalnie związane ze wsparciem technologii IGBT. Moduły IGBT stanowią ponad 10% kosztów produkcji pojazdów elektrycznych, co oznacza prawie 1/5 kosztów produkcji stosów ładujących. W dziedzinie pojazdów elektrycznych tranzystory IGBT są wykorzystywane głównie w następujących aspektach: 1. Systemy sterowania pojazdów elektrycznych. Technologia IGBT służy do sterowania falownikiem DC/AC dużej mocy, a następnie do sterowania pracą silnika. Przetwornica jest kluczowym elementem układu napędowego trakcji w układzie napędowym prądu przemiennego, a tranzystor IGBT jest kluczowym elementem przetwornicy trakcyjnej. 2. Układ sterowania klimatyzacją pojazdu wykorzystuje tranzystory IGBT i tranzystory FRD o niskim natężeniu prądu do sterowania falownikiem DC/AC o niskim poborze mocy. 3. Moduł IGBT stosu ładującego jest używany jako element przełączający w inteligentnym stosie ładującym.
etykieta 

Tranzystor IGBT charakteryzuje się dobrą wydajnością w zakresie wysokiej gęstości prądu, technologii optymalizacji niskich strat, technologii wysokotemperaturowej i wysokonapięciowej oraz technologii inteligentnej integracji. Jest szeroko stosowany w modułach mocy pojazdów elektrycznych i ma duże perspektywy rozwoju. Jednak, aby zrealizować masową aplikację technologii optymalizacji układów IGBT w pojazdach elektrycznych, konieczna jest dalsza optymalizacja dokładności, odporności na wysoką temperaturę i wysokie ciśnienie oraz wielofunkcyjnej technologii integracji bramki rowkowej.

Zastrzeżenie: Ten artykuł jest reprodukowany z „Semiconductor Online”. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania w celu wspierania ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.

Tel firmy: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Menedżer Qiu
Adres: pokój 809, blok C, budynek Zhantao Technology, nr 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen