Güç aygıtları 20. yüzyılın ortalarında ortaya çıktı. Yaklaşık 30 yıllık bir geliştirme sürecinin ardından, MOS ve BJT teknolojisinin birleşimi IGBT teknolojisinin doğmasına yol açtı. Sürekli güncellenen IGBT, araçlarda, kaynakta, havacılıkta ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makalede IGBT'nin yapısı ve çalışma prensibi tanıtılmakta ve elektrikli araçlar alanındaki uygulamaları açıklanmaktadır. Bu, uygulayıcıların IGBT prensibini ve elektrikli araçlar alanındaki teknik gelişimini tam olarak anlamalarına yardımcı olacaktır.Küresel ısınmanın ve çevresel bozulmanın ağırlaşmasıyla birlikte Çin, enerji tasarrufu ve emisyon azaltımı baskısını hafifletmek için yüksek bir hedef ortaya koydu. Enerji tasarrufu ve emisyon azaltma hedefine ulaşmak için Çin, yeni enerji araçlarının geliştirilmesini güçlü bir şekilde destekliyor. Elektrikli araç aktarma organının çekirdek enerji dönüşüm ünitesi çekiş invertörü, aküden gelen DC çıkışını üç fazlı AC'ye dönüştürebilir. Aracın sık sık start-stop yapması, invertördeki güç yarı iletken cihazlarının çeşitli darbe kuvvetlerine maruz kalmasına neden olur. İnverterin güç yoğunluğu elektrikli aracın güç çıkışıyla yakından ilgilidir. Otomotiv güç modüllerinin güç yarı iletken aygıtları arasında çoğunlukla silisyum karbür esaslı güç metal oksit yarı iletken alan etkili transistörler ve yalıtılmış kapılı bipolar transistörler (IGBT) yer almaktadır.

IGBT, bipolar transistör ve yalıtımlı kapı alan etkili transistörden oluşan bileşik tam kontrollü voltaj tahrikli güç yarı iletken cihazına aittir ve yüksek giriş empedansı ve düşük iletim voltaj düşüşü avantajlarına sahiptir. Dev transistörün doyma voltajı düşük, akım yoğunluğu yüksek ancak çalışma akımı yüksektir. Metal yarı etkili transistör düşük çalışma gücüne ve hızlı anahtarlama hızına sahiptir, ancak büyük anahtarlama voltaj düşüşüne ve düşük akım taşıma yoğunluğuna sahiptir. IGBT, açıldığında iletken olarak kabul edilebilecek düşük güç tüketimine ve kapatıldığında açık devre olarak kabul edilebilecek yüksek dirence sahiptir. Yüksek voltaj, yüksek akım ve yüksek hız, düşük çalışma gücü ve düşük doyma gerilimi olmak üzere üç özelliğe sahiptir ve 600 V veya üzeri DC gerilimli dönüştürücü sistemleri için uygundur. Elektrikli araçlar, güç cihazlarının gerilim direnci, yüksek sıcaklık dayanımı, ısı dağılımı ve kararlılığı konusunda yüksek gereksinimlere sahip olduğundan, IGBT, MOSFET transistörlerinden daha kapsamlı bir performansa sahiptir. Bu nedenle, IGBT, günümüzde elektrikli araçların invertörlerinde ana akım güç cihazı haline gelmiş ve büyük bir geliştirme potansiyeline sahiptir. IGBT, bir ızgara G, bir kollektör C ve bir emitör E'den oluşan üç terminalli bir cihazdır. IGBT, daha büyük bir PN bağlantısı J1 oluşturan iki katmanlı P+ implantasyon bölgesine sahiptir. IGBT devreye bağlandığında, enjeksiyon bölgesi P+'dan baz bölgesi N'ye bazı taşıyıcılar yayılır ve bu da sürüklenme bölgesinin iletkenliğini ayarlayabilir. Bu nedenle, IGBT güçlü bir akım kapasitesine sahiptir. Tampon bölge, P+ implant bölgesi ile N- sürüklenme bölgesi arasında bir N+ katmanıdır. Tampon içerisinde IGBT olup olmaması farklı özellikler göstermektedir. N+ tamponlu IGBT'ye asimetrik IGBT (aynı zamanda punch-through IGBT olarak da adlandırılır) denir; küçük ileri gerilim düşümü, kısa köpek kapanma süresi ve kapanırken küçük kuyruk akımı gibi avantajlara sahiptir, ancak ters bloklama yeteneği nispeten zayıftır. N- tamponu olmayan IGBT'ye simetrik IGBT (non-punch through IGBT olarak da adlandırılır) denir, ileri ve geri yönlerde güçlü blokaj yeteneğine sahiptir ve diğer özellikleri punch through IGBT'den daha kötüdür.

  IGBT sürüş devresi   IGBT sürücü devresi, kapının pozitif ve negatif voltajını kontrol ederek açılıp kapanan GTR ve MOSFET'ten oluşan bir Darlington yapısıdır. Kapı voltajı pozitif olduğunda, GTR ve MOSFET'ten oluşan Darlington transistörü iletken durumdadır; kapı voltajı negatif olduğunda ise GTR ve MOSFET'ten oluşan Darlington transistörü kapalı durumdadır, yani çalışmaz. IGBT sürücü devresinin eşdeğer devre şeması Şekil 2'de gösterilmiştir. Bu devre, tek çipli mikrobilgisayarın darbe çıkış gücünü yükselterek IGBT güç cihazlarını dolaylı olarak çalıştırabilir. Volt-amper karakteristik eğrisi, IGBT bipolar dev transistörününkine benzerdir. Kontrol voltajı UGE arttığında, karakteristik eğri yukarı doğru hareket eder. UGE seviyesini değiştirmek, IGBT'nin durumunu (kapalı durum, doyma durumu) kontrol edebilir, bu nedenle genellikle güç kaynaklarının anahtarlanmasında kullanılır.  

IGBT'nin çalışma prensibi   IGBT, bir PNP transistör (MOSFET tarafından sürülen) olarak düşünülebilir. Yaygın PNP transistörle karşılaştırıldığında, taban bölgesi daha kalındır. Eşdeğer devresi Şekil 1(b)'de gösterilmiştir. Şekilde, RN, PNP transistörün taban bölgesindeki modülasyon direncidir ve MOSFET bir N-kanal alan etkili transistördür. Bu yapıya sahip IGBT, N-kanal IIGBT olarak adlandırılır ve sembolü N-IGBT'dir. Benzer şekilde, P-kanal IGBT'ler, yani P-IGBT'ler de vardır. IGBT'nin elektriksel grafik sembolü şekil 1(c)'de gösterilmiştir. IGBT bir alan kontrol cihazıdır ve açılıp kapanması, kapı ile yayıcı arasındaki UCE gerilimi tarafından belirlenir. Açılma gerilimi UCE(th), kapı-yayıcı gerilimi UCE'den küçükse ve kapı gerilimi pozitifse, PNP transistör MOSFET'in iç kanalında akım alır ve IGBT iletime geçer. Bu sırada, P+ bölgesinden N- bölgesine giren taşıyıcılar, N- bölgesinin iletkenliğini modüle eder ve RN(N- bölgesi) direnci kademeli olarak azalır ve IGBT daha küçük bir açık durum voltaj düşüşü yaşar. Kapı-emitör voltajı UCE sıfıra veya ters voltaja eşitse, MOSFET'te kanal oluşmaz, N- bölgesinin iletkenliğini modüle etmek için P+ bölgesinden N- bölgesine taşıyıcı girmez ve transistörde baz akımı olmaz, bu nedenle IGBT çalışmadığında kapanır. IGBT'nin sürüş prensibi aşağıdaki gibidir. UCE negatif olduğunda: J3 bağlantısı ters önyargı durumundadır ve cihaz ters blokaj durumundadır. UCE pozitif olduğunda: UC< UTH, Kanal oluşturulamaz ve cihaz ileri blokaj durumundadır; UG>UTH, Yalıtılmış kapının altında bir N kanalı oluşturulur ve taşıyıcıların etkileşimi nedeniyle N bölgesinde iletkenlik modülasyonu üretilir, bu da cihazın ileri yönde iletkenlik yapmasını sağlar.   1. ayrılık  
Silisyum wafer ile güç MOSFET’inin yapısı arasındaki fark, IGBT’nin güç MOSFET’ine göre daha fazla P+ alt tabaka ve N+ tampon tabakaya sahip olması (IGBT’nin NPT- delmeden geçebilen yapısı yoktur) ve alt tabaka kullanılarak tüp gövdesinin P_ bölgesi ile N+ bölgesi arasında bir J1 bağlantısının oluşturulmasıdır. Pozitif kapı öngerilimi, kapının altındaki P baz bölgesini ters çevirirse, IGBT içinde bir N kanalı oluşur. Bu sırada kanalda bir elektron akışı ve akım oluşur. Oluşan elektron akımının voltajı 0.7 V aralığında olduğunda, J1 P_ bölgesinde ve N+ bölgesinde ileri yönde polariteye sahip olur ve bazı delikler N- bölgesine girerek N- bölgesi ile N+ bölgesi arasındaki özdirenci değiştirir. Bu ayarlama yöntemi, IGBT iletiminin enerji tüketimini azaltır ve ikinci yük akışını sağlar. Yarı iletkende geçici olarak iki farklı akım topolojisi, bir MOSFET elektron akımı ve bir delik akımı (bipolar) ortaya çıkar.  
2. İletim voltajı düşüşü  
İletkenlik modülasyonu etkisi, direnç RN değerini ve açık durum voltajını azaltabilir. Açık durum gerilim düşümü olarak adlandırılan durum, IGBT açık duruma geçtiğinde tüp gerilim düşümü UDS'yi ifade eder ve bu gerilim, UCS yükseldikçe azalır.  
3. kapama  
Geçide negatif öngerilim gerilimi uygulandığında veya geçit gerilimi eşik değerinden düşük olduğunda hiçbir kanal oluşmayacak ve N-bölgesine hiçbir delik girmeyecektir. Her durumda, anahtarlama aşamasında MOSFET akımı çok hızlı düşerse kolektör akımı azalacaktır. Şu anda, komütasyon başladıktan sonra birkaç taşıyıcı hala N bölgesinde kalıyor. Kapatma sırasındaki şarj yoğunluğu, artık akım değerinin azalmasını doğrudan etkileyecektir. Yük yoğunluğu, yabancı maddelerin sayısı ve topolojisi, katmanların kalınlığı ve sıcaklığı vb. ile ilgilidir. Bu nedenle, artık akım değerinin (uyanıklık) azaltılması birçok faktörden etkilenir ve belirsizdir. Kolektör akımı, N bölgesindeki bazı artık taşıyıcıların bozulmasından etkilenir ve karakteristik iz dalga biçimi ortaya çıkar. Karakteristik toplayıcı akımı yüksek güç tüketimi ve düzensiz iletim gibi sorunlara neden olacaktır. Bu tür bir sorun, serbest diyot ekipmanında daha belirgin olacaktır. Artık akım azınlık taşıyıcılarının rekombinasyonuyla yakından ilişkili olduğundan, artık akımın mevcut değerinin Tc, IC, UCE ve çipin delik hareketliliği ile önemli bir ilişkisi olmalıdır.
4. Ters engelleme 
Kollektör ters gerilim alırsa P_ bölgesi ve N+ bölgesinin J bağlantısı ters öngerilim geriliminden etkilenecektir. Aynı zamanda tabakanın kalınlığı çok azaldığı için engelleme yeteneği kaybolacak ve tükenme tabakası N-bölgesine kadar uzanacaktır. Ayrıca bölge büyüklüğü belirli bir değerin üzerine çıkarsa gerilim düşümü sürekli artacaktır. 
5. İleri engelleme  
Kolektör terminali pozitif gerilim alırsa ve kapı ile emitör kısa devre yaparsa, P_ bölgesi ile N+ bölgesi arasındaki J bağlantısı ters gerilim ile kontrol edilir.  
6. mandal  
PNPN tristör, ICBT'nin toplayıcı ve vericisi arasında parazittir. Tristör iletim olayına IGBT mandalı denir. Belirli koşullar altında, PNPN tristör iletecek, toplayıcı ile verici arasındaki akım artacak ve eşdeğer MOSFET'i kontrol etme yeteneği azalacak, bu da çoğu zaman cihazın bozulmasına yol açacaktır.   Ve elektrikli araçlarda IGBT çiplerinin gelişim tarihi.   Geçtiğimiz on yıllardaki güç cihazlarının gelişimine bakıldığında, 1960'larda bipolar cihazların durum direnci küçük, karmaşık akım kontrolü ve kontrol devresi ve yüksek güç tüketimi vardı. Endüstrinin gelişmesiyle birlikte sürüş devresinin basitleştirilmesi, üretim maliyetinin azaltılması, anahtarlama güç tüketimi ve durum halindeki voltaj düşüşü gibi gereksinimler akademik çevrelere ileri sürülmektedir. 1990'lı yıllarda MOS ve BJT entegrasyon teknolojisi araştırmaları zemininde IGBT üretimine geçilmiştir. IGBT'nin ortaya çıkışı elektrikli araçlara hizmet etmemektedir. Ancak, küresel çevrenin bozulmasıyla birlikte elektrikli araçlar gelişmiş ve IGBT, otomobil, ulaşım vb. alanlarda yavaş yavaş uygulanmaya başlanmıştır. Elektrikli araçlar ve IGBT'nin ortak gelişimiyle birlikte, IGBT çipleri elektrikli araçların vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Elektrikli araçlar için IGBT çiplerinin geliştirme süreci Şekil 3’te gösterilmektedir. Birinci nesil: N-sürüklenmesini artırarak dayanım voltajını iyileştirmesi gereken IGBT prototipi, yüksek güç tüketimi ve yüksek direnç değerlerine sahiptir. Yukarıdaki faktörler nedeniyle, birinci nesil IGBT laboratuvar ortamında bırakılmış ve yaygın olarak kullanılmamıştır. İkinci nesil: PT-IGBT. Tükenme katmanı N+ tampon katmanına nüfuz edemez ve taban bölgesindeki elektrik alanı trapezoidal bir dağılımla güçlenir. Çip kalınlığı azaltılarak güç tüketimi azaltılır. O dönemde IGBT cihazlarını üreten temsilci firma Siemens'ti. 20. yüzyılın sonlarında Siemens tarafından üretilen BSM150GB120DN1 (DN1, birinci nesil ürünü ifade eder) 600V voltajda iyi bir performansa sahiptir, ancak voltaj 1200 V'a yükseldiğinde epitaksiyel kalınlık artar, maliyeti nispeten yüksektir, ve güvenilirlik azalır (doping konsantrasyonunun ve kalınlığının tekdüzeliği zayıftır). Üçüncü nesil: NPT-IGBT. Epitaksiyel teknolojinin yerini iyon implantasyon teknolojisi alarak P+ kollektörü (şeffaf kollektör teknolojisi) üretiyor, bu sayede kavşak derinliği iyi kontrol edilebiliyor ve mümkün olan en düşük emisyon verimi sağlanıyor. Kapatma kaybı, taşıyıcı ekstraksiyonunun hızlandırılmasıyla gerçekleştirilir. Baz bölgesinin orijinal taşıyıcı ömrü esasen etkilenmez ve sabit durum güç tüketimi üzerindeki etkisi neredeyse yok denecek kadar azdır. Bu noktada, IGBT pozitif sıcaklık katsayısı özelliklerine sahiptir ve sabit durum kaybı ile kapanma kaybı arasında iyi performans gösterir. Şu anda IGBT'nin temsilci firması hala Siemens olup, genişletilmiş partili ürünlerin yerine zon eritme yöntemini benimsiyor. Dördüncü nesil: Trench-IGBT. Dördüncü nesil, geçmişe kıyasla büyük bir gelişmeye sahip. Bu kez trench yapısı kullanılıyor ve kanal önceki yüzeyden dikey yüzeye geçiyor. Bu da taban bölgesindeki PIN etkisini artırıyor, kapıya yakın taşıyıcı yoğunluğunu artırıyor, iletkenlik modülasyon etkisini bir dereceye kadar iyileştiriyor, direnç üzerindeki yükü azaltıyor ve JFET etkisini ortadan kaldırıyor. Kapı yoğunluğu gerektiği gibi artırılabilir. Ayrıca dördüncü nesil, üçüncü neslin toplayıcı P+Implicit teknolojisini devralmaya devam ediyor ve dayanım gerilimini iyileştiren alan durdurma katmanı olarak PT teknolojisini tanıtıyor. Infineon lider kuruluş olarak Siemens'in yerini aldı ve inceltme teknolojisi o dönemde dünyada bir ilkti. 1200 V'ta kalınlığı 120 ila 140 µm arasında, 600 V'de ise 70 µm'nin altında olabilir. Beşinci ve altıncı nesil: Beşinci nesil FS-IGBT ve altıncı nesil FS-Trench, önceki dört teknolojiye dayalı çeşitli teknik önlemlerin yeniden birleşimidir. Beşinci nesil IGBT, dördüncü nesil ürün olan "şeffaf kollektör teknolojisi" ile "elektrik alan durdurma teknolojisi"nin birleşimidir. Altıncı nesil ürün ile beşinci nesil ürün arasındaki fark, hendek kapısı yapısının geliştirilmiş olmasıdır. Elektrikli araçlar alanında IGBT, raylı ulaşım, yeni enerji araçları ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılan yeni güç yarı iletken cihazlarının ana akım cihazı olarak kullanılmaktadır. Günümüzde hayatın hızlanmasıyla birlikte, pazar yeni enerji araçlarının gücü, güvenliği ve fiyatı konusunda daha yüksek talepler ortaya koymakta olup, IGBT'nin akım yoğunluğu, güç kaybı ve kararlılığı önemli rol oynamaktadır.

Elektrikli araçların gelişimi IGBT modüllerinin geliştirilmesiyle yakından ilişkilidir ve elektrikli araçlar, şarj istasyonları ve ilgili ekipmanlar IGBT teknolojisinin desteğinden ayrılamaz. Elektrikli araçların üretim maliyetinde IGBT modülleri %10'dan fazlasını oluşturuyor ve şarj yığınlarının üretim maliyetinin yaklaşık 1/5'ini oluşturuyor. Elektrikli araçlar alanında IGBT temel olarak aşağıdaki alanlarda kullanılır: 1. Elektrikli araçların kontrol sistemi IGBT teknolojisi, yüksek güçlü DC/AC invertörleri kontrol etmek ve ardından motorun çalışmasını kontrol etmek için kullanılır. Konvertör, AC tahrik sisteminde çekişin temel bileşenidir ve IGBT, çekiş konvertörünün temel bileşenidir. 2. Araç klima kontrol sistemi, düşük güçlü DC/AC invertörü kontrol etmek için düşük akımlı IGBT ve FRD'yi kullanır. 3. Akıllı şarj pilinde anahtarlama elemanı olarak şarj pilinin IGBT modülü kullanılır.
etiket 

IGBT, yüksek akım yoğunluğu, düşük kayıplı optimizasyon teknolojisi, yüksek sıcaklık ve yüksek voltaj teknolojisi ve akıllı entegrasyon teknolojisinde iyi bir performansa sahiptir. Yeni enerji araçlarının güç modüllerinde yaygın olarak kullanılmakta olup, gelecek vaat etmektedir. Ancak, IGBT çip optimizasyon teknolojisinin elektrikli araçlar için geniş ölçekli uygulamasını gerçekleştirmek için, hendek kapısının inceliğini, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç direncini ve çok işlevli entegrasyon teknolojisini daha da optimize etmek gerekir.

Yasal Uyarı: Bu makale "Semiconductor Online"dan kopyalanmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil eder ve Sacco Micro ve sektörün görüşlerini temsil etmez. Fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla yalnızca yeniden basılması ve paylaşılması içindir. Lütfen yeniden basarken orijinal kaynağı ve yazarını belirtin. Herhangi bir ihlal varsa, silmek için lütfen bizimle iletişime geçin.

Şirket Tel: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Yönetici Qiu
Adres: Oda 809, Blok C, Zhantao Teknoloji Binası, No.1079 Minzhi Bulvarı, Longhua Yeni Bölgesi, Shenzhen