Fale sobre a aplicação e desenvolvimento da tecnologia IGBT para veículos elétricos

  Os dispositivos de energia surgiram em meados do século XX. Após quase 20 anos de desenvolvimento, a combinação das tecnologias MOS e BJT deu origem à tecnologia IGBT. Após atualizações contínuas, o IGBT tem sido amplamente utilizado em veículos, soldagem, aeroespacial e outros campos. Este artigo apresenta a estrutura e o princípio de funcionamento do IGBT e expõe sua aplicação no campo de veículos elétricos, o que é útil para que os profissionais entendam completamente o princípio do IGBT e seu desenvolvimento técnico no campo de veículos elétricos.Com o agravamento do aquecimento global e da deterioração ambiental, a fim de aliviar a pressão da conservação de energia e da redução das emissões, a China apresentou um objectivo elevado. A fim de atingir o objectivo de poupança de energia e redução de emissões, a China apoia vigorosamente o desenvolvimento de novos veículos energéticos. O inversor de tração da unidade de conversão de energia central do trem de força do veículo elétrico pode converter a saída CC da bateria em CA trifásica. O frequente start-stop do veículo faz com que os dispositivos semicondutores de potência no inversor suportem várias forças de impacto. A densidade de potência do inversor está intimamente relacionada à potência do veículo elétrico. Os dispositivos semicondutores de potência dos módulos de potência automotivos incluem principalmente transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico de potência baseados em carboneto de silício e transistores bipolares de porta isolada (IGBT).

O IGBT pertence a um dispositivo semicondutor de potência totalmente controlado por tensão, composto de transistor bipolar e transistor de efeito de campo de porta isolada, e tem as vantagens de alta impedância de entrada e baixa queda de tensão de condução. A tensão de saturação do transistor gigante é baixa, a densidade de corrente é alta, mas a corrente de trabalho é alta. O transistor de meio efeito metálico tem baixa potência de trabalho e velocidade de comutação rápida, mas possui grande queda de tensão de comutação e baixa densidade de transporte de corrente. O IGBT apresenta baixo consumo de energia após ser ligado, o que pode ser considerado um condutor, e alta resistência ao ser desligado, o que pode ser considerado um circuito aberto. Possui três características: alta tensão, alta corrente e alta velocidade, baixa potência de trabalho e baixa tensão de saturação, sendo adequado para sistemas conversores com tensão CC de 600 V ou superior. Como os veículos elétricos têm altos requisitos de resistência à tensão, resistência a altas temperaturas, dissipação de calor e estabilidade dos dispositivos de energia, o IGBT apresenta um desempenho abrangente superior ao dos transistores MOSFET. Portanto, o IGBT tornou-se o principal dispositivo de energia para inversores de veículos elétricos atualmente, com grande potencial de desenvolvimento. O IGBT tem uma grade G, um coletor C e um emissor E, e é um dispositivo de três terminais. O IGBT tem duas camadas de regiões de implantação P+, que formam uma junção PN maior J1. Quando o IGBT é conectado ao circuito, alguns portadores são emitidos da região de injeção P+ para a região de base N, o que pode ajustar a condutividade da região de deriva. Portanto, o IGBT possui uma forte capacidade de corrente. A região tampão é uma camada N+ entre a região do implante P+ e a região de deriva N. A presença ou não de IGBT no buffer mostra características diferentes. O IGBT com buffer N+ é chamado de IGBT assimétrico (também chamado de IGBT punch-through), que tem as vantagens de pequena queda de tensão direta, tempo de desligamento curto e pequena corrente de cauda ao desligar, mas sua capacidade de bloqueio reverso é relativamente fraca. O IGBT sem buffer N é chamado de IGBT simétrico (também chamado de IGBT não perfurado), que tem forte capacidade de bloqueio nas direções direta e reversa, e suas outras características são piores do que as do IGBT perfurado.

  Circuito de acionamento IGBT   O circuito de acionamento IGBT é uma estrutura Darlington composta por GTR e MOSFET, que é ligada e desligada controlando a tensão positiva e negativa da porta. Quando a tensão da porta é positiva, o transistor Darlington composto por GTR e MOSFET está em um estado condutor; quando a tensão da porta é negativa, o transistor Darlington composto por GTR e MOSFET está em um estado desligado, ou seja, não funciona. O diagrama de circuito equivalente do circuito de acionamento IGBT é mostrado na Figura 2. Este circuito pode amplificar a potência de saída de pulso de microcomputador de chip único para acionar indiretamente dispositivos de energia IGBT para funcionar. A curva característica volt-ampere é semelhante à do transistor gigante bipolar IGBT. Quando a tensão de controle UGE aumenta, a curva característica se move para cima. Alterar o nível de UGE pode controlar o estado do IGBT (estado desligado, estado de saturação), por isso é frequentemente usado na comutação de fontes de alimentação.  

O princípio de funcionamento do IGBT   O IGBT pode ser considerado um transistor PNP (acionado por MOSFET). Comparado ao transistor PNP comum, sua região de base é mais espessa. O circuito equivalente é mostrado na Figura 1(b). Na figura, RN é o resistor de modulação na região de base do transistor PNP, e o MOSFET é um transistor de efeito de campo de canal N. O IGBT com essa estrutura é chamado de IGBT de canal N, e seu símbolo é N-IGBT. Da mesma forma, existem IGBTs de canal P, ou seja, P-IGBT. O símbolo gráfico elétrico do IGBT é mostrado na figura 1(c). O IGBT é um dispositivo de controle de campo, e sua ativação e desativação são determinadas pela tensão UCE entre a porta e o emissor. Se a tensão de ativação UCE(th) for menor que a tensão porta-emissor UCE e a tensão da porta for positiva, o transistor PNP recebe a corrente no canal interno do MOSFET, e o IGBT é ativado. Neste momento, as portadoras que entram na região N vindas da região P+ modulam a condutividade da região N, e a resistência RN(região N) diminui gradualmente, e o IGBT sofre uma queda de tensão menor no estado ligado. Se a tensão UCE da porta-emissor for igual a zero ou a tensão reversa, nenhum canal será formado no MOSFET, nenhuma portadora entrará na região N vindas da região P+ para modular a condutividade da região N, e não haverá corrente de base no transistor, portanto, o IGBT desligará quando não estiver funcionando. O princípio de acionamento do IGBT é o seguinte: quando a UCE é negativa: a junção J3 está em estado de polarização reversa e o dispositivo está em estado de bloqueio reverso. Quando UCE é positivo: UC < UTH, o canal não pode ser formado e o dispositivo está em um estado de bloqueio direto; UG> UTH, sob a porta isolada, um canal N é formado e, devido à interação das portadoras, a modulação de condutância é gerada na região N, o que faz o dispositivo conduzir diretamente.   1. ruptura  
A diferença entre a estrutura do wafer de silício e do MOSFET de potência é que o IGBT tem mais substrato P+ e uma camada de buffer N+ do que o MOSFET de potência (o IGBT não tem estrutura NPT (não perfurada)) e uma junção J1 é estabelecida entre a região P_ e a região N+ do corpo do tubo usando o substrato. Se a polarização positiva da porta inverter a região da base P sob a porta, um canal N será formado dentro do IGBT. Nesse momento, um fluxo de elétrons e uma corrente serão formados no canal. Quando a tensão da corrente de elétrons formada está dentro da faixa de 0.7 V, o J1 estabelecido na região P_ e a região N+ está em polarização direta, e algumas lacunas entram na região N-, o que altera a resistividade entre as regiões N- e N+. Este método de ajuste reduz o consumo de energia da condução do IGBT e aciona o segundo fluxo de carga. Duas topologias de corrente diferentes, uma corrente de elétrons MOSFET e uma corrente de buraco (bipolar), aparecem temporariamente no semicondutor.  
2. Queda de tensão de condução  
O efeito de modulação de condutância pode reduzir o valor da resistência RN e a tensão no estado ligado. A chamada queda de tensão no estado ligado refere-se à queda de tensão UDS do tubo quando o IGBT entra no estado ligado, e essa tensão diminui com o aumento do UCS.  
3. desligar  
Quando uma tensão de polarização negativa é aplicada à porta ou a tensão da porta é inferior ao valor limite, nenhum canal será formado e nenhum buraco entrará na região N. Em todos os casos, se a corrente do MOSFET cair muito rapidamente no estágio de comutação, a corrente do coletor diminuirá. Neste momento, após o início da comutação, algumas portadoras ainda permanecem na região N. A densidade de carga no desligamento afetará diretamente a redução do valor da corrente residual. A densidade de carga está relacionada ao número e topologia das impurezas, à espessura e temperatura das camadas, etc. Portanto, a redução do valor da corrente residual (despertar) é afetada por muitos fatores e incerta. A corrente do coletor é afetada pelo decaimento de algumas portadoras residuais na região N, e a forma de onda de esteira característica aparece. A esteira característica do coletor causará problemas como alto consumo de energia e condução desordenada. Este tipo de problema será mais proeminente nos equipamentos de diodo de roda livre. Como a corrente residual está intimamente relacionada à recombinação de portadoras minoritárias, o valor atual da corrente residual deve ter uma relação importante com Tc, IC, UCE e mobilidade de furos do chip.
4. Bloqueio reverso 
Se o coletor obtiver a tensão reversa, a junção J da região P_ e da região N+ será afetada pela tensão de polarização reversa. Ao mesmo tempo, a capacidade de bloqueio será perdida porque a espessura da camada diminui muito, e a camada de depleção se estenderá até a região N. Além disso, se o tamanho da região aumentar além de um determinado valor, a queda de tensão aumentará continuamente. 
5. Bloqueio direto  
Se o terminal do coletor receber tensão positiva e a porta e o emissor estiverem em curto, a junção J entre a região P_ e a região N+ será controlada pela tensão reversa.  
6. trinco  
O tiristor PNPN é parasita entre o coletor e o emissor do ICBT. O fenômeno de condução do tiristor é chamado de travamento IGBT. Sob certas condições, o tiristor PNPN conduzirá, a corrente entre o coletor e o emissor aumentará e a capacidade de controlar o MOSFET equivalente diminuirá, o que muitas vezes leva à quebra do dispositivo.   E o histórico de desenvolvimento de chips IGBT em veículos elétricos.   Olhando para trás, para o desenvolvimento de dispositivos de energia nas últimas décadas, na década de 1960, os dispositivos bipolares tinham pequena resistência no estado, controle de corrente complicado e circuito de controle e alto consumo de energia. Com o desenvolvimento da indústria, os requisitos de simplificação do circuito de acionamento, redução do custo de fabricação, comutação do consumo de energia e queda de tensão no estado são apresentados aos círculos acadêmicos. Na década de 1990, o IGBT foi fabricado com base na pesquisa da tecnologia de integração MOS e BJT. O surgimento do IGBT não se destina a veículos elétricos. No entanto, com a deterioração do meio ambiente global, os veículos elétricos se desenvolveram e o IGBT começou gradualmente a ser aplicado nas áreas de automóveis, transporte, etc. Com o desenvolvimento conjunto de veículos elétricos e IGBT, os chips IGBT tornaram-se parte indispensável dos veículos elétricos. O processo de desenvolvimento de chips IGBT para veículos elétricos é mostrado na Figura 3. Primeira geração: o protótipo do IGBT, que precisa melhorar a tensão de resistência aumentando o desvio N, apresenta alto consumo de energia em modo desligado e alta resistência em modo ligado. Devido aos fatores acima, o IGBT de primeira geração parou em laboratório e não foi amplamente utilizado. Segunda geração: PT-IGBT. A camada de depleção não consegue penetrar a camada tampão N+, e o campo elétrico na região da base é intensificado em uma distribuição trapezoidal. O consumo de energia é reduzido pela redução da espessura do chip. A Siemens era a empresa representante que produzia dispositivos IGBT naquela época. No final do século 20, o BSM150GB120DN1 (DN1 significa produto de primeira geração) produzido pela Siemens tem um bom desempenho na tensão de 600 V, mas quando a tensão sobe para 1200 V, a espessura epitaxial torna-se maior, o custo é relativamente alto, e a confiabilidade diminui (a uniformidade da concentração e espessura do doping é ruim). Terceira geração: NPT-IGBT. A tecnologia de implantação iônica substitui a tecnologia epitaxial para gerar um coletor P+ (tecnologia de coletor transparente), que pode controlar bem a profundidade da junção e garantir a menor eficiência de emissão possível. A perda de desligamento é realizada acelerando a extração do transportador. A vida útil original da portadora na região base não é afetada basicamente, e a influência no consumo de energia em regime permanente é quase insignificante. Neste momento, o IGBT possui as características de coeficiente de temperatura positivo e apresenta bom desempenho entre a perda em regime permanente e a perda de desligamento. Atualmente, a empresa representante do IGBT ainda é a Siemens, que adota o método de fusão por zona para substituir os produtos de lote estendido. Quarta geração: IGBT de Trincheira. A quarta geração apresenta uma grande melhoria em comparação com a anterior. Desta vez, utiliza-se a estrutura de trincheira, e o canal se move da superfície anterior para a superfície vertical, o que potencializa o efeito PIN na região da base, aumenta a concentração de portadores próximos à porta, melhora o efeito de modulação de condutância em certa medida, reduz a resistência e elimina o efeito JFET. A densidade da porta pode ser aumentada conforme necessário. Além disso, a quarta geração continua a herdar a tecnologia do coletor P+Implícito da terceira geração e introduz a tecnologia PT como camada de parada de campo, o que melhora a tensão suportável. A Infineon substituiu a Siemens como empresa líder e sua tecnologia de desbaste foi a primeira do mundo naquela época. Em 1200 V, sua espessura poderia estar entre 120 e 140 um, e em 600V, poderia estar abaixo de 70 um. Quinta e sexta geração: a quinta geração FS-IGBT e a sexta geração FS-Trench são a recombinação de várias medidas técnicas baseadas nas quatro tecnologias anteriores. A quinta geração do IGBT é a combinação do produto de quarta geração "tecnologia de coletor transparente" e "tecnologia de parada de campo elétrico". A diferença entre o produto de sexta geração e o produto de quinta geração é que a estrutura da vala foi melhorada. No campo de veículos elétricos, o IGBT é usado como o principal dispositivo de novos dispositivos semicondutores de potência, amplamente utilizados em transporte ferroviário, veículos de nova energia e outros campos. Atualmente, com o ritmo de vida acelerado, o mercado impõe requisitos mais elevados para a potência, segurança e preço dos veículos de nova energia, e a densidade de corrente, a perda de potência e a estabilidade do IGBT desempenham um papel importante.

O desenvolvimento de veículos elétricos está intimamente relacionado ao desenvolvimento de módulos IGBT, e veículos elétricos, estações de carregamento e equipamentos relacionados são todos inseparáveis do suporte da tecnologia IGBT. No custo de produção de veículos elétricos, os módulos IGBT representam mais de 10%, respondendo por quase 1/5 do custo de produção das pilhas de carregamento. No campo de veículos elétricos, o IGBT é utilizado principalmente nos seguintes aspectos: 1. Sistema de controle de veículos elétricos. A tecnologia IGBT é utilizada para controlar inversores CC/CA de alta potência e, em seguida, controlar a operação do motor. O conversor é o componente central da tração no sistema de acionamento CA, e o IGBT é o componente-chave do conversor de tração. 2. O sistema de controle do ar condicionado do veículo usa IGBT e FRD com baixa corrente para controlar o inversor CC/CA de baixa potência. 3. O módulo IGBT da pilha de carregamento é usado como elemento de comutação na pilha de carregamento inteligente.
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O IGBT apresenta bom desempenho em alta densidade de corrente, tecnologia de otimização de baixas perdas, alta temperatura e alta tensão, além de tecnologia de integração inteligente. Tem sido amplamente utilizado em módulos de potência de veículos de nova energia e tem boas perspectivas. No entanto, para concretizar a aplicação em larga escala da tecnologia de otimização de chips IGBT para veículos elétricos, é necessário otimizar ainda mais a finura, a resistência a altas temperaturas e altas pressões e a tecnologia de integração multifuncional da comporta de vala.

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