Nói về ứng dụng và phát triển công nghệ IGBT xe điện

  Thiết bị điện xuất hiện vào giữa thế kỷ 20. Sau gần 30 năm phát triển, sự kết hợp giữa công nghệ MOS và BJT đã cho ra đời công nghệ IGBT. Sau khi liên tục được cập nhật, IGBT đã được sử dụng rộng rãi trong xe cộ, hàn, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác. Bài báo này giới thiệu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của IGBT và trình bày ứng dụng của nó trong lĩnh vực xe điện, giúp người thực hành hiểu đầy đủ về nguyên lý của IGBT và sự phát triển kỹ thuật của nó trong lĩnh vực xe điện.Với tình trạng nóng lên toàn cầu và suy thoái môi trường ngày càng trầm trọng, để giảm bớt áp lực bảo tồn năng lượng và giảm phát thải, Trung Quốc đã đặt ra một mục tiêu cao. Để đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, Trung Quốc hỗ trợ mạnh mẽ việc phát triển các phương tiện sử dụng năng lượng mới. Bộ biến tần lực kéo của bộ chuyển đổi năng lượng cốt lõi của hệ thống truyền động xe điện có thể chuyển đổi đầu ra DC từ pin thành điện áp xoay chiều ba pha. Việc xe dừng lại thường xuyên khiến các thiết bị bán dẫn điện trong biến tần phải chịu nhiều lực tác động khác nhau. Mật độ công suất của biến tần có liên quan chặt chẽ đến công suất đầu ra của xe điện. Các thiết bị bán dẫn công suất của mô-đun nguồn ô tô chủ yếu bao gồm bóng bán dẫn hiệu ứng trường oxit kim loại dựa trên silicon carbide và bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT).

IGBT là thiết bị bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn bằng điện áp, bao gồm một bóng bán dẫn lưỡng cực và một bóng bán dẫn hiệu ứng trường cổng cách điện, có ưu điểm là trở kháng đầu vào cao và độ sụt điện áp dẫn thấp. Điện áp bão hòa của bóng bán dẫn khổng lồ thấp, mật độ dòng điện cao nhưng dòng điện làm việc cao. Transitor nửa hiệu ứng kim loại có công suất làm việc thấp và tốc độ chuyển mạch nhanh, nhưng nó có độ sụt điện áp chuyển mạch lớn và mật độ mang dòng điện thấp. IGBT có mức tiêu thụ điện năng thấp sau khi bật, có thể được coi là một bộ dẫn điện, và điện trở cao khi tắt, có thể được coi là một mạch hở. Nó có ba đặc điểm: điện áp cao, dòng điện cao và tốc độ cao, công suất làm việc thấp và điện áp bão hòa thấp, phù hợp với các hệ thống biến tần có điện áp DC từ 600 V trở lên. Do xe điện có yêu cầu cao về điện trở, khả năng chịu nhiệt, tản nhiệt và độ ổn định của thiết bị điện, IGBT có hiệu suất tổng thể tốt hơn so với transistor MOSFET. Do đó, IGBT đã trở thành thiết bị điện chủ đạo trong biến tần xe điện hiện nay và có tiềm năng phát triển rất lớn. IGBT có lưới G, cực thu C và cực phát E và là thiết bị có ba đầu cuối. IGBT có hai lớp vùng cấy ghép P+, tạo thành mối nối PN J1 lớn hơn. Khi IGBT được kết nối với mạch, một số hạt mang điện được phát ra từ vùng phun P+ đến vùng nền N, có thể điều chỉnh độ dẫn điện của vùng trôi. Do đó, IGBT có khả năng chịu dòng điện mạnh. Vùng đệm là lớp N+ nằm giữa vùng cấy P+ và vùng N- trôi. Việc có IGBT trong bộ đệm hay không sẽ thể hiện những đặc điểm khác nhau. IGBT có bộ đệm N+ được gọi là IGBT không đối xứng (còn gọi là IGBT đột phá), có ưu điểm là sụt áp thuận nhỏ, thời gian tắt chó ngắn và dòng điện đuôi nhỏ khi tắt, nhưng khả năng chặn ngược của nó tương đối yếu. IGBT không có đệm N được gọi là IGBT đối xứng (còn gọi là IGBT không xuyên thủng), có khả năng chặn mạnh theo hướng thuận và ngược, các đặc tính khác của nó kém hơn so với IGBT xuyên thủng.

  Mạch điều khiển IGBT   Mạch điều khiển IGBT là cấu trúc Darlington gồm GTR và MOSFET, được bật và tắt bằng cách điều khiển điện áp dương và âm của cổng. Khi điện áp cổng dương, transistor Darlington gồm GTR và MOSFET ở trạng thái dẫn; Khi điện áp cổng âm, transistor Darlington gồm GTR và MOSFET ở trạng thái tắt, tức là không hoạt động. Sơ đồ mạch tương đương của mạch điều khiển IGBT được thể hiện ở Hình 2. Mạch này có thể khuếch đại công suất xung đầu ra của máy vi tính chip đơn để gián tiếp điều khiển các thiết bị nguồn IGBT hoạt động. Đường cong đặc tính volt-ampe tương tự như của transistor khổng lồ lưỡng cực IGBT. Khi điện áp điều khiển UGE tăng, đường cong đặc tính dịch chuyển lên trên. Thay đổi mức UGE có thể điều khiển trạng thái của IGBT (trạng thái tắt, trạng thái bão hòa), do đó thường được sử dụng trong việc chuyển mạch nguồn điện.  

Nguyên lý hoạt động của IGBT   IGBT có thể được coi là một transistor PNP (được điều khiển bởi MOSFET). So với transistor PNP thông thường, vùng cực gốc của nó dày hơn. Mạch tương đương được thể hiện trong Hình 1(b). Trong hình, RN là điện trở điều chế trong vùng cực gốc của transistor PNP và MOSFET là transistor hiệu ứng trường kênh N. IGBT có cấu trúc này được gọi là IIGBT kênh N và ký hiệu của nó là N-IGBT. Tương tự, có IGBT kênh P, cụ thể là P-IGBT. Ký hiệu đồ họa điện của IGBT được thể hiện trong Hình 1(c). IGBT là một thiết bị điều khiển trường và việc bật và tắt của nó được xác định bởi điện áp UCE giữa cực cổng và cực phát. Nếu điện áp bật UCE(th) nhỏ hơn điện áp cực cổng-cực phát UCE và điện áp cực cổng dương, transistor PNP nhận dòng điện trong kênh bên trong của MOSFET và IGBT sẽ bật. Lúc này, các hạt mang điện đi vào vùng N từ vùng P+ điều chế độ dẫn điện của vùng N, và điện trở RN(vùng N) sẽ giảm dần, và IGBT sẽ có mức giảm điện áp trạng thái bật nhỏ hơn. Nếu điện áp cực cổng-cực phát UCE bằng 3 hoặc điện áp ngược, sẽ không có kênh nào được hình thành trong MOSFET, không có hạt mang điện nào đi vào vùng N từ vùng P+ để điều chế độ dẫn điện của vùng N, và sẽ không có dòng điện cực gốc trong transistor, vì vậy IGBT sẽ tắt khi không hoạt động. Nguyên lý hoạt động của IGBT như sau. Khi UCE âm: Tiếp giáp JXNUMX ở trạng thái phân cực ngược và thiết bị ở trạng thái chặn ngược. Khi UCE dương: UC < UTH, kênh không thể hình thành và thiết bị ở trạng thái chặn thuận; UG> UTH, bên dưới cực cổng cách điện, một kênh N được hình thành và do sự tương tác của các hạt mang điện, điều chế độ dẫn được tạo ra trong vùng N, khiến thiết bị dẫn thuận.   1. đột phá  
Sự khác biệt giữa cấu trúc của wafer silicon và MOSFET công suất là IGBT có nhiều lớp nền P+ và lớp đệm N+ hơn MOSFET công suất (IGBT không có cấu trúc không đục lỗ NPT) và một mối nối J1 được thiết lập giữa vùng P_ và vùng N+ của thân ống bằng cách sử dụng lớp nền. Nếu độ lệch cổng dương đảo ngược vùng bazơ P bên dưới cổng, một kênh N sẽ được hình thành bên trong IGBT. Lúc này, một dòng electron và dòng điện sẽ được hình thành trong kênh. Khi điện áp của dòng điện electron được tạo thành nằm trong khoảng 0.7 V, J1 được thiết lập trong vùng P_ và vùng N+ được phân cực thuận, và một số lỗ trống đi vào vùng N-, điều này sẽ làm thay đổi điện trở suất giữa vùng N- và vùng N+. Phương pháp điều chỉnh này làm giảm mức tiêu thụ năng lượng dẫn điện của IGBT và thúc đẩy dòng điện tích thứ hai. Hai cấu trúc liên kết dòng điện khác nhau, một dòng điện tử MOSFET và một dòng điện lỗ trống (lưỡng cực), tạm thời xuất hiện trong chất bán dẫn.  
2. Giảm điện áp dẫn  
Hiệu ứng điều chế độ dẫn có thể làm giảm giá trị điện trở RN và điện áp ở trạng thái bật. Cái gọi là sụt áp trạng thái bật đề cập đến sụt áp của đèn UDS khi IGBT chuyển sang trạng thái bật và điện áp này giảm khi UCS tăng.  
3. ngắt  
Khi điện áp phân cực âm được đặt vào cổng hoặc điện áp cổng thấp hơn giá trị ngưỡng, sẽ không có kênh nào được hình thành và không có lỗ trống nào đi vào vùng N. Trong mọi trường hợp, nếu dòng MOSFET giảm quá nhanh trong giai đoạn chuyển mạch thì dòng thu sẽ giảm. Tại thời điểm này, sau khi quá trình chuyển mạch bắt đầu, một số sóng mang vẫn còn ở vùng N. Mật độ điện tích khi tắt sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến việc giảm giá trị dòng điện dư. Mật độ điện tích liên quan đến số lượng và cấu trúc liên kết của tạp chất, độ dày và nhiệt độ của các lớp, v.v. Do đó, việc giảm giá trị dòng điện dư (đánh thức) bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố và không chắc chắn. Dòng thu bị ảnh hưởng bởi sự phân rã của một số sóng mang còn sót lại trong vùng N và dạng sóng đánh thức đặc trưng xuất hiện. Dòng điện đặc trưng của bộ thu sẽ gây ra các vấn đề như tiêu thụ điện năng cao và dẫn truyền không ổn định. Loại vấn đề này sẽ nổi bật hơn trong thiết bị diode quay tự do. Do dòng dư có liên quan chặt chẽ đến sự tái hợp của các sóng mang thiểu số nên giá trị hiện tại của dòng dư phải có mối quan hệ quan trọng với Tc, IC, UCE và độ linh động lỗ trống của chip.
4. Chặn ngược 
Nếu bộ thu nhận được điện áp ngược, điểm nối J của vùng P_ và vùng N+ sẽ bị ảnh hưởng bởi điện áp phân cực ngược. Đồng thời, khả năng chặn sẽ bị mất do độ dày của lớp giảm quá nhiều và lớp cạn kiệt sẽ kéo dài đến vùng N. Ngoài ra, nếu kích thước vùng tăng vượt quá một giá trị nhất định thì điện áp rơi sẽ tăng liên tục. 
5. Chặn chuyển tiếp  
Nếu cực thu có điện áp dương và cổng và cực phát bị chập, điểm nối J giữa vùng P_ và vùng N+ được điều khiển bằng điện áp ngược.  
6. cái chốt  
Thyristor PNPN ký sinh giữa cực thu và cực phát của ICBT. Hiện tượng dẫn điện của thyristor được gọi là chốt IGBT. Trong một số điều kiện nhất định, thyristor PNPN sẽ dẫn điện, dòng điện giữa cực thu và cực phát sẽ tăng lên và khả năng điều khiển MOSFET tương đương sẽ giảm, điều này thường dẫn đến hỏng thiết bị.   Và lịch sử phát triển của chip IGBT trong xe điện.   Nhìn lại sự phát triển của các thiết bị điện trong những thập kỷ qua, vào những năm 1960, các thiết bị lưỡng cực có điện trở trạng thái nhỏ, mạch điều khiển và điều khiển dòng điện phức tạp, tiêu thụ điện năng cao. Với sự phát triển của ngành công nghiệp, các yêu cầu đơn giản hóa mạch truyền động, giảm chi phí sản xuất, chuyển đổi mức tiêu thụ điện năng và giảm điện áp ở trạng thái được đưa ra trong giới học thuật. Vào những năm 1990, IGBT được sản xuất dựa trên nền tảng nghiên cứu công nghệ tích hợp MOS và BJT. Sự ra đời của IGBT không phải để phục vụ cho xe điện. Tuy nhiên, cùng với sự suy thoái của môi trường toàn cầu, xe điện đã phát triển mạnh mẽ, và IGBT dần được ứng dụng trong các lĩnh vực ô tô, vận tải, v.v. Với sự phát triển chung của xe điện và IGBT, chip IGBT đã trở thành một phần không thể thiếu của xe điện. Quá trình phát triển chip IGBT cho xe điện được thể hiện ở Hình 3. Thế hệ thứ nhất: Nguyên mẫu IGBT, cần cải thiện điện áp chịu đựng bằng cách tăng độ trôi N, có mức tiêu thụ điện năng khi tắt và điện trở khi bật cao. Do những yếu tố trên, IGBT thế hệ đầu tiên đã dừng lại ở phòng thí nghiệm và không được sử dụng rộng rãi. Thế hệ thứ hai: PT-IGBT. Lớp nghèo không xuyên qua được lớp đệm N+, và điện trường ở vùng cơ sở được tăng cường theo phân bố hình thang. Tiêu thụ điện năng được giảm bằng cách giảm độ dày chip. Siemens là công ty tiêu biểu sản xuất thiết bị IGBT vào thời điểm đó. Vào cuối thế kỷ 20, BSM150GB120DN1 (DN1 là viết tắt của sản phẩm thế hệ đầu tiên) do Siemens sản xuất có hiệu suất tốt ở điện áp 600V, nhưng khi điện áp tăng lên 1200 V, độ dày epiticular trở nên lớn hơn, giá thành tương đối cao, và độ tin cậy giảm (độ đồng đều về nồng độ pha tạp và độ dày kém). Thế hệ thứ ba: NPT-IGBT. Công nghệ cấy ion thay thế công nghệ epitaxial để tạo ra bộ thu P+ (công nghệ bộ thu trong suốt), có khả năng kiểm soát tốt độ sâu mối nối và đảm bảo hiệu suất phát xạ thấp nhất có thể. Mất mát khi tắt được thực hiện bằng cách tăng tốc độ trích xuất sóng mang. Tuổi thọ hạt tải ban đầu của vùng cơ sở về cơ bản không bị ảnh hưởng, và ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng ở trạng thái ổn định gần như không đáng kể. Lúc này, IGBT có đặc điểm là hệ số nhiệt độ dương, và hoạt động tốt giữa tổn thất trạng thái ổn định và tổn thất ngắt. Hiện nay, công ty đại diện cho IGBT vẫn là Siemens, áp dụng phương pháp nấu chảy theo vùng để thay thế cho các sản phẩm theo mẻ mở rộng. Thế hệ thứ tư: Trench-IGBT. Thế hệ thứ tư có những cải tiến vượt bậc so với trước đây. Lần này, cấu trúc rãnh được sử dụng, kênh dẫn di chuyển từ bề mặt trước sang bề mặt thẳng đứng, giúp tăng cường hiệu ứng PIN ở vùng đáy, tăng nồng độ hạt tải gần cổng, cải thiện hiệu ứng điều chế độ dẫn ở một mức độ nào đó, giảm điện trở mở và loại bỏ hiệu ứng JFET. Mật độ cổng có thể được tăng lên tùy theo nhu cầu. Ngoài ra, thế hệ thứ tư tiếp tục kế thừa công nghệ P+Implicit của thế hệ thứ ba và giới thiệu công nghệ PT làm lớp dừng trường, giúp cải thiện điện áp chịu được. Infineon đã thay thế Siemens trở thành doanh nghiệp dẫn đầu và công nghệ pha loãng của họ là công nghệ đầu tiên trên thế giới vào thời điểm đó. Ở 1200 V, độ dày của nó có thể nằm trong khoảng từ 120 đến 140 um và ở 600V, nó có thể dưới 70 um. Thế hệ thứ năm và thứ sáu: FS-IGBT thế hệ thứ năm và FS-Trench thế hệ thứ sáu là sự kết hợp của nhiều biện pháp kỹ thuật khác nhau dựa trên bốn công nghệ trước đó. IGBT thế hệ thứ năm là sự kết hợp của sản phẩm thế hệ thứ tư "công nghệ bộ thu trong suốt" và "công nghệ dừng điện trường". Sự khác biệt giữa sản phẩm thế hệ thứ sáu và sản phẩm thế hệ thứ năm là cấu trúc cổng rãnh được cải tiến. Trong lĩnh vực xe điện, IGBT được sử dụng làm thiết bị chủ đạo của các thiết bị bán dẫn công suất mới, được sử dụng rộng rãi trong vận tải đường sắt, xe năng lượng mới và các lĩnh vực khác. Hiện nay, với nhịp sống ngày càng nhanh, thị trường đưa ra những yêu cầu cao hơn về công suất, độ an toàn và giá cả của các loại xe năng lượng mới, trong đó mật độ dòng điện, tổn thất điện năng và độ ổn định của IGBT đóng vai trò quan trọng.

Sự phát triển của xe điện có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của mô-đun IGBT và xe điện, cọc sạc và các thiết bị liên quan đều không thể tách rời khỏi sự hỗ trợ của công nghệ IGBT. Trong chi phí sản xuất xe điện, module IGBT chiếm hơn 10%, chiếm gần 1/5 chi phí sản xuất cọc sạc. Trong lĩnh vực xe điện, IGBT chủ yếu được sử dụng trong các khía cạnh sau: 1. Hệ thống điều khiển xe điện: Công nghệ IGBT được sử dụng để điều khiển bộ biến tần DC/AC công suất cao và sau đó điều khiển hoạt động của động cơ. Bộ chuyển đổi là thành phần cốt lõi của lực kéo trong hệ thống truyền động AC, và IGBT là thành phần chính của bộ chuyển đổi lực kéo. 2. Hệ thống điều khiển điều hòa không khí trên xe sử dụng IGBT và FRD với dòng điện thấp để điều khiển bộ biến tần DC/AC công suất thấp. 3. Mô-đun IGBT của cọc sạc được sử dụng làm phần tử chuyển mạch trong cọc sạc thông minh.
tag 

IGBT có hiệu suất tốt về mật độ dòng điện cao, công nghệ tối ưu hóa tổn thất thấp, công nghệ nhiệt độ cao và điện áp cao, và công nghệ tích hợp thông minh. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong các mô-đun nguồn của xe năng lượng mới và có triển vọng tốt. Tuy nhiên, để hiện thực hóa ứng dụng công nghệ tối ưu hóa chip IGBT trên quy mô lớn cho xe điện, cần phải tối ưu hóa hơn nữa độ mịn, khả năng chịu nhiệt độ cao, áp suất cao và công nghệ tích hợp đa chức năng của cổng rãnh.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "Chất bán dẫn trực tuyến". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sacco Micro và ngành. Nó chỉ dành cho việc in lại và chia sẻ để hỗ trợ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi tái bản. Nếu có vi phạm vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.

Điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Quản lý Qiu
Địa chỉ: Phòng 809, Khu C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Quận Mới Long Hoa, Thâm Quyến