Силовые приборы появились в середине XX века. После почти 20 лет разработок сочетание технологий МОП и биполярных транзисторов привело к появлению технологии IGBT. После постоянного усовершенствования IGBT нашел широкое применение в транспортных средствах, сварочной промышленности, аэрокосмической отрасли и других областях. В данной статье описываются структура и принцип работы IGBT, а также объясняется его применение в области электромобилей, что будет полезно специалистам для полного понимания принципа работы IGBT и его технического развития в области электромобилей.В условиях обострения глобального потепления и ухудшения состояния окружающей среды, чтобы облегчить давление энергосбережения и сокращения выбросов, Китай выдвинул высокую цель. Для достижения цели энергосбережения и сокращения выбросов Китай активно поддерживает разработку новых энергетических транспортных средств. Тяговый инвертор блока преобразования энергии трансмиссии электромобиля может преобразовывать выход постоянного тока от аккумулятора в трехфазный переменный ток. Частые остановки автомобиля приводят к тому, что силовые полупроводниковые приборы в инверторе испытывают различные ударные нагрузки. Плотность мощности инвертора тесно связана с выходной мощностью электромобиля. Силовые полупроводниковые приборы автомобильных силовых модулей в основном включают в себя силовые металл-оксидные полупроводниковые полевые транзисторы на основе карбида кремния и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

IGBT относится к полностью управляемым силовым полупроводниковым приборам, управляемым напряжением, которые состоят из биполярного транзистора и полевого транзистора с изолированным затвором и обладают такими преимуществами, как высокое входное сопротивление и малое падение напряжения проводимости. Напряжение насыщения гигантского транзистора низкое, плотность тока высокая, но рабочий ток высокий. Металлический полуэффектный транзистор имеет низкую рабочую мощность и высокую скорость переключения, но имеет большое падение напряжения переключения и низкую плотность тока. IGBT обладает низким энергопотреблением после включения, что позволяет рассматривать его как проводник, и высоким сопротивлением в выключенном состоянии, что позволяет рассматривать его как разомкнутую цепь. Он обладает тремя характеристиками: высоким напряжением, высоким током и высокой скоростью, низкой рабочей мощностью и низким напряжением насыщения. Он подходит для систем преобразователей постоянного тока с напряжением 600 В и выше. Поскольку электромобили предъявляют высокие требования к сопротивлению напряжению, термостойкости, теплоотводу и стабильности силовых компонентов, IGBT обладают лучшими комплексными характеристиками, чем MOSFET-транзисторы. Поэтому в настоящее время IGBT стали основным силовым компонентом в инверторах электромобилей и обладают большим потенциалом развития. IGBT имеет сетку G, коллектор C и эмиттер E и представляет собой трехвыводное устройство. IGBT имеет два слоя областей имплантации P+, которые образуют больший PN-переход J1. При подключении IGBT к цепи часть носителей заряда эмитируется из области инжекции P+ в область базы N, что может регулировать проводимость области дрейфа. Таким образом, IGBT обладает высокой токовой нагрузкой. Буферная область представляет собой слой N+ между областью имплантата P+ и областью N-дрейфа. Наличие или отсутствие IGBT в буфере показывает разные характеристики. IGBT с буфером N+ называется асимметричным IGBT (также называется сквозным IGBT), который имеет такие преимущества, как малое прямое падение напряжения, короткое время выключения ключа и малый хвостовой ток при выключении, но его способность к обратному блокированию относительно слаба. IGBT без N-буфера называется симметричным IGBT (также называется несквозным IGBT), который имеет сильную блокирующую способность в прямом и обратном направлениях, а его другие характеристики хуже, чем у пробивного IGBT.

  Схема управления IGBT   Схема управления IGBT представляет собой структуру Дарлингтона, состоящую из GTR и MOSFET, которая включается и выключается путем управления положительным и отрицательным напряжением затвора. Когда напряжение затвора положительно, транзистор Дарлингтона, состоящий из GTR и MOSFET, находится в проводящем состоянии; когда напряжение затвора отрицательно, транзистор Дарлингтона, состоящий из GTR и MOSFET, находится в закрытом состоянии, то есть он не работает. Эквивалентная принципиальная схема схемы управления IGBT показана на рисунке 2. Эта схема может усиливать импульсную выходную мощность однокристального микрокомпьютера для косвенного управления работой силовых устройств IGBT. Вольт-амперная характеристика аналогична характеристике биполярного гигантского транзистора IGBT. При увеличении управляющего напряжения UGE характеристика сдвигается вверх. Изменение уровня UGE может управлять состоянием IGBT (закрытое состояние, состояние насыщения), поэтому он часто используется при коммутации источников питания.  

Принцип работы IGBT   IGBT можно рассматривать как PNP-транзистор (управляемый MOSFET). По сравнению с обычным PNP-транзистором, его базовая область толще. Эквивалентная схема показана на рисунке 1(b). На рисунке RN — это модулирующий резистор в базовой области PNP-транзистора, а MOSFET — это полевой транзистор с N-каналом. IGBT с такой структурой называется N-канальным IIGBT, и его условное обозначение — N-IGBT. Аналогично существуют IGBT с P-каналом, а именно P-IGBT. Электрический графический символ IGBT показан на рис. 1(c). IGBT — это прибор с полевым управлением, и его включение и выключение определяются напряжением UCE между затвором и эмиттером. Если напряжение включения UCE(th) меньше напряжения затвор-эмиттер UCE, а напряжение затвора положительно, то PNP-транзистор получает ток во внутреннем канале MOSFET, и IGBT включается. В это время носители, попадающие в N-область из P+-области, модулируют проводимость N-области, и сопротивление RN(N-области) будет постепенно уменьшаться, и IGBT получит меньшее падение напряжения в открытом состоянии. Если напряжение затвор-эмиттер UCE равно нулю или обратному напряжению, в MOSFET не будет сформирован канал, носители не будут попадать в N-область из P+-области, чтобы модулировать проводимость N-области, и в транзисторе не будет базового тока, поэтому IGBT выключится, когда он не работает. Принцип управления IGBT следующий. Когда UCE отрицательно: переход J3 находится в состоянии обратного смещения, и устройство находится в состоянии обратного запирания. Если UCE положительно: UC < UTH, канал не может быть сформирован, и устройство находится в состоянии прямой блокировки; UG > UTH, под изолированным затвором образуется N-канал, и из-за взаимодействия носителей в N-области возникает модуляция проводимости, что заставляет устройство проводить вперед.   1. разрыв  
Разница между структурой кремниевой пластины и мощного МОП-транзистора заключается в том, что у БТИЗ больше подложки P+ и буферного слоя N+, чем у мощного МОП-транзистора (у БТИЗ нет несквозной структуры NPT), а переход J1 устанавливается между областью P_ и областью N+ корпуса трубки с помощью подложки. Если положительное смещение затвора инвертирует область P-базы под затвором, внутри IGBT образуется N-канал. При этом в канале формируется поток электронов и ток. Когда напряжение сформированного электронного тока находится в диапазоне 0.7 В, J1 устанавливается в области P_, а область N+ находится в прямом смещении, и часть дырок проникает в область N-, что приводит к изменению сопротивления между областями N- и N+. Такой метод регулировки снижает энергопотребление IGBT-проводимости и стимулирует вторичный поток заряда. В полупроводнике временно появляются две разные топологии тока: один электронный ток МОП-транзистора и один дырочный ток (биполярный).  
2. Падение напряжения проводимости  
Эффект модуляции проводимости может уменьшить значение сопротивления RN и напряжение открытого состояния. Так называемое падение напряжения в открытом состоянии относится к падению напряжения на трубке UDS, когда IGBT переходит во включенное состояние, и это напряжение уменьшается с ростом UCS.  
3. выключить  
Когда к затвору приложено отрицательное напряжение смещения или напряжение затвора ниже порогового значения, канал не образуется и дырки не попадают в N-область. Во всех случаях, если ток MOSFET падает слишком быстро на этапе переключения, ток коллектора уменьшится. В это время, после начала коммутации, несколько несущих все еще остаются в N-области. Плотность заряда при выключении будет напрямую влиять на уменьшение значения остаточного тока. Плотность заряда связана с количеством и топологией примесей, толщиной и температурой слоев и т. д. Поэтому на снижение значения остаточного тока (следа) влияет множество факторов и оно неопределенно. На ток коллектора влияет распад некоторых остаточных носителей в N-области, и появляется характерная форма кильватерного сигнала. Характерный след коллектора может вызвать такие проблемы, как высокое энергопотребление и нарушение проводимости. Проблемы такого рода будут более заметными в устройствах с безынерционными диодами. Поскольку остаточный ток тесно связан с рекомбинацией неосновных носителей, текущее значение остаточного тока должно иметь важную связь с Tc, IC, UCE и подвижностью дырок чипа.
4. Обратная блокировка 
Если на коллектор поступает обратное напряжение, то на J-переход областей P_ и N+ будет воздействовать напряжение обратного смещения. При этом блокирующая способность будет потеряна, поскольку толщина слоя слишком уменьшится, и обедненный слой распространится на N-область. Кроме того, если размер области превышает определенное значение, падение напряжения будет постоянно увеличиваться. 
5. Блокировка вперед  
Если на клемму коллектора подается положительное напряжение, а затвор и эмиттер закорочены, J-переход между областью P_ и областью N+ управляется обратным напряжением.  
6. фиксатор  
Тиристор PNPN является паразитным между коллектором и эмиттером ICBT. Явление проводимости тиристора называется защелкиванием IGBT. При определенных условиях тиристор PNPN будет проводить ток, ток между коллектором и эмиттером увеличится, а возможность управления эквивалентным МОП-транзистором уменьшится, что часто приводит к поломке устройства.   И история развития IGBT-микросхем в электромобилях.   Оглядываясь назад на развитие силовых устройств в последние десятилетия, можно сказать, что в 1960-х годах биполярные устройства имели небольшое сопротивление в открытом состоянии, сложную схему контроля и управления током, а также высокое энергопотребление. С развитием промышленности в академические круги выдвигаются требования по упрощению схемы управления, снижению себестоимости изготовления, коммутационной мощности и падения напряжения во включенном состоянии. В 1990-х годах IGBT производился на фоне исследований технологии интеграции МОП и биполярных транзисторов. Появление IGBT не было связано с необходимостью обслуживания электромобилей. Однако, с ухудшением состояния окружающей среды в мире, электромобили получили развитие, и IGBT постепенно начали применяться в автомобилестроении, транспорте и т. д. С совместным развитием электромобилей и IGBT, чипы IGBT стали неотъемлемой частью электромобилей. Процесс разработки IGBT-микросхем для электромобилей показан на рисунке 3. Первое поколение: прототип IGBT, требующий повышения выдерживаемого напряжения за счёт увеличения дрейфа нейтрона, имеет высокое потребление энергии в выключенном состоянии и высокое сопротивление во включенном состоянии. В связи с вышеперечисленными факторами, IGBT первого поколения остались в лабораторных условиях и не получили широкого распространения. Второе поколение: PT-IGBT. Обеднённый слой не проникает в буферный слой N+, а электрическое поле в базовой области усиливается до трапецеидального распределения. Потребляемая мощность снижается за счёт уменьшения толщины кристалла. В то время Siemens была представительной компанией, производившей IGBT-устройства. В конце 20-го века BSM150GB120DN1 (DN1 означает «продукт первого поколения») производства Siemens имеет хорошие характеристики при напряжении 600 В, но при повышении напряжения до 1200 В толщина эпитаксиального слоя становится больше, стоимость относительно высока, и надежность снижается (плохая однородность концентрации легирования и толщины). Третье поколение: NPT-IGBT. Технология ионной имплантации заменяет эпитаксиальную технологию для создания P+-коллектора (технология прозрачного коллектора), позволяющего точно контролировать глубину перехода и обеспечивать максимально возможную эффективность излучения. Потери при выключении реализуются за счет ускорения извлечения несущей. Исходное время жизни носителей заряда в базовой области практически не изменяется, а влияние на энергопотребление в установившемся режиме практически не заметно. В этом случае IGBT обладает положительным температурным коэффициентом и имеет хорошие показатели потерь в установившемся режиме и потерь при выключении. В настоящее время представительной компанией на рынке IGBT по-прежнему является Siemens, которая применяет метод зонной плавки для замены продукции с увеличенной партией. Четвёртое поколение: Trench-IGBT. Четвёртое поколение значительно усовершенствовано по сравнению с предыдущими. В этом случае используется траншейная структура, а канал перемещается с прежней поверхности на вертикальную, что усиливает PIN-эффект в базовой области, увеличивает концентрацию носителей заряда вблизи затвора, несколько улучшает эффект модуляции проводимости, снижает сопротивление в открытом состоянии и устраняет эффект JFET. Плотность затвора может быть увеличена при необходимости. Кроме того, четвертое поколение продолжает наследовать коллекторную технологию P+Implicit третьего поколения и представляет технологию PT в качестве слоя ограничения поля, который улучшает выдерживаемое напряжение. Infineon заменила Siemens в качестве ведущего предприятия, а ее технология прореживания была первой в мире на тот момент. При 1200 В его толщина может составлять от 120 до 140 мкм, а при 600 В — ниже 70 мкм. Пятое и шестое поколение: пятое поколение FS-IGBT и шестое поколение FS-Trench представляют собой рекомбинацию различных технических мер, основанных на предыдущих четырех технологиях. Пятое поколение IGBT представляет собой комбинацию «технологии прозрачного коллектора» и «технологии остановки электрического поля» четвертого поколения. Разница между продуктом шестого поколения и продуктом пятого поколения заключается в том, что конструкция траншейных ворот улучшена. В области электромобилей IGBT используется в качестве основного устройства новых силовых полупроводниковых приборов, которые широко используются в железнодорожном транспорте, новых энергетических транспортных средствах и других областях. В настоящее время, в условиях ускоренного темпа жизни, рынок выдвигает более высокие требования к мощности, безопасности и цене новых энергетических транспортных средств, при этом важную роль играют плотность тока, потери мощности и стабильность IGBT.

Развитие электромобилей тесно связано с развитием модулей IGBT, а электромобили, зарядные станции и сопутствующее оборудование неотделимы от поддержки технологии IGBT. В себестоимости производства электромобилей доля IGBT-модулей составляет более 10%, на их долю приходится почти 1/5 себестоимости производства зарядных станций. В области электромобилей IGBT в основном используется в следующих областях: 1. Система управления электромобилями. Технология IGBT используется для управления мощным преобразователем постоянного тока в переменный, а затем для управления работой двигателя. Преобразователь является основным компонентом тягового привода переменного тока, а IGBT — ключевым компонентом тягового преобразователя. 2. Система управления кондиционером транспортного средства использует IGBT и FRD с низким током для управления маломощным преобразователем постоянного тока в переменный ток. 3. Модуль IGBT зарядного блока используется в качестве коммутационного элемента в интеллектуальном зарядном блоке.
день 

IGBT обладает хорошими характеристиками при высокой плотности тока, обладает технологией оптимизации с низкими потерями, работает при высоких температурах и напряжениях, а также обладает интеллектуальной интеграцией. Он широко используется в силовых модулях новых энергетических транспортных средств и имеет хорошие перспективы. Однако для реализации широкомасштабного применения технологии оптимизации чипов IGBT для электромобилей необходимо дополнительно оптимизировать тонкость, устойчивость к высоким температурам и давлению, а также многофункциональную интеграционную технологию затвора траншеи.

Отказ от ответственности: Эта статья воспроизведена из «Semiconductor Online». Эта статья отражает только личную точку зрения автора и не отражает точку зрения Sacco Micro и отрасли. Он предназначен только для перепечатки и распространения в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке просьба указывать первоисточник и автора. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.

Тел. компании: +86-0755-83044319
Факс/факс:+86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Менеджер Цю
Адрес: комната 809, блок C, здание Zhantao Technology Building, проспект Минчжи № 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.