Что такое IGBT?
IGBT означает «биполярный транзистор с изолированным затвором» — это тип силового полупроводникового устройства, сочетающий в себе биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы с металлооксидным полупроводником (MOSFET). IGBT имеют высокий входной импеданс, как MOSFET, и низкий падение напряжения во время проводимости, как гигантские транзисторы (GTR). Они обычно используются в приложениях, где напряжение постоянного тока составляет 600 В или выше, таких как двигатели переменного тока, инверторы, источники питания, схемы освещения и тяговые приводы.
IGBT являются основным компонентом силовых электронных устройств и часто называются «процессором» этих устройств. Они широко используются в различных областях, таких как железнодорожный транспорт, интеллектуальные энергосистемы, аэрокосмическая промышленность, электромобили и новое энергетическое оборудование.
Процесс разработки IGBT
Достижения в области технологии IGBT в 1980-х годах
Концепция IGBT была впервые представлена в 1979 году как силовое переключающее устройство с MOS-затвором и V-образным траншейным затвором. В начале 1980-х годов технология DMOS (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor), используемая для производства силовых MOSFET, была адаптирована для IGBT, а структура кремниевого чипа представляла собой толстую конструкцию NPT (Non-Punch-Through). Позже, с развитием эпитаксиальной технологии на кремниевом чипе и использованием буферных слоев n+, рассчитанных на определенное напряжение блокировки, было достигнуто значительное улучшение компромисса параметров за счет применения структуры PT (Punch-Through).
Прогресс в разработке IGBT в 1990-х годах
В середине 1990-х годов структура транзистора с траншейным затвором была вновь внедрена в новой концепции IGBT с использованием нового процесса травления, заимствованного из технологии крупномасштабной интеграции (LSI), но структура чипа по-прежнему оставалась PT. Эта новая траншейная структура позволила достичь компромисса между напряжением в включенном состоянии и временем выключения. Структура чипа из кремния также претерпела радикальные изменения, перейдя от NPT к LPT (Light Punch-Through), что улучшило безопасную рабочую зону (SOA), аналогично эволюции плоской структуры затвора.
Переход от PT к NPT был самым фундаментальным и значительным концептуальным изменением. Технология PT имеет относительно высокий коэффициент инжекции носителей, но требует контроля времени жизни миноритарных носителей, что снижает эффективность транспорта. В отличие от этого, технология NPT имеет хорошую эффективность транспорта без уничтожения миноритарных носителей, но ее коэффициент инжекции носителей относительно низок. Технология LPT, которая похожа на технологию soft punch-through или field-stop, заменила технологию NPT и еще больше улучшила соотношение цены и качества.
CSTBT и модули IGBT 5-го поколения
В 1996 году CSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor) позволил реализовать модуль IGBT 5-го поколения. В нем использовалась структура чипа LPT и более совершенная конструкция с широким расстоянием между ячейками. В настоящее время изучаются новые концепции устройств IGBT с функциями «обратного блокирования» или «обратной проводимости» для достижения дальнейшей оптимизации.
Модули питания IGBT эволюционировали от композитных модулей питания (PIM) до интеллектуальных модулей питания (IPM), электронных блоков питания (PEBB) и модулей питания (IPEM), в которых используются драйверы IC, различные схемы защиты привода, высокопроизводительные чипы IGBT и новые технологии упаковки.
Структура IGBT
Левая сторона диаграммы IGBT показывает структуру N-канального биполярного транзистора с обогащенным затвором. Область N+ называется областью истока, а присоединенный к ней электрод называется электродом истока (или эмиттером E). База N называется областью утечки. Область управления устройства — это область затвора, а присоединенный к ней электрод называется электродом затвора (или затвором G). Канал формируется непосредственно рядом с границей области затвора. Область P-типа (включая области P+ и P-) между полюсами C и E (где формируется канал) называется областью субканала. Область P+ на другой стороне области утечки называется областью инжекции стока, которая является уникальной функциональной областью IGBT. Она образует биполярный транзистор PNP вместе с областью утечки и областью подканала, действуя как эмиттер, инжектируя дырки в область утечки для модуляции проводимости и снижения напряжения в включенном состоянии устройства. Электрод, присоединенный к области инжекции стока, называется стоковым электродом (или коллектором C).
Переключение IGBT осуществляется путем подачи прямого напряжения на затвор для формирования канала, подачи базового тока на PNP (изначально NPN) транзистор и включения IGBT. И наоборот, подача обратного напряжения на затвор устраняет канал, отключает ток базы и выключает IGBT. Метод управления IGBT в основном такой же, как и у MOSFET, только управляет входным затвором N-канального MOSFET, поэтому имеет высокий входной импеданс. Когда формируется канал MOSFET, дырки (незначительные носители) инжектируются из базы P+ в слой N-, модулируя проводимость слоя N- и уменьшая его сопротивление, что позволяет IGBT иметь низкое напряжение в включенном состоянии даже при высоких напряжениях.
Принцип работы IGBT
IGBT работает как MOSFET, но в IGBT сток MOSFET заменен эмиттером BJT. Это позволяет достичь высокого входного сопротивления MOSFET и управляющей способности BJT. Теперь давайте посмотрим, как работает IGBT, основываясь на следующих 4 пунктах:
Управление затвором IGBT
IGBT включаются и выключаются путем подачи напряжения на затвор. При подаче положительного напряжения на затвор в n-легированную область дрейфа инжектируются дырки, создавая проводящий канал для протекания тока.
Ток и пороговое напряжение
Сила тока, которая может протекать через IGBT, определяется размером проводящего канала в области дрейфа, который контролируется напряжением затвора. Когда напряжение затвора снижается ниже порогового уровня, канал отключается и ток не может протекать.
Структура паразитного тиристора и предотвращение защелкивания
Когда напряжение коллектор-эмиттер находится в обратном смещении, внутри IGBT может образоваться паразитная тиристорная структура, что приводит к защелкиванию или выходу устройства из строя. Чтобы этого не произошло, IGBT имеют слаболегированную область вблизи коллектора, которая снижает коэффициент усиления паразитной тиристорной структуры.
Ток хвоста в IGBT
IGBT также демонстрируют хвостовой ток или медленное затухание тока коллектора после отключения напряжения затвора. Это связано с наличием меньшинственных носителей (дырок) в n-легированной области дрейфа, которые постепенно рекомбинируют и уменьшают ток. Величина хвостового тока зависит от таких факторов, как концентрация легирования, температура и геометрия устройства.
Характеристики IGBT
Статические характеристики
Статические характеристики IGBT в основном включают вольт-амперные характеристики и характеристики передачи.
Вольт-Ампер
Вольт-амперные характеристики IGBT относятся к соотношению между током коллектор-эмиттер и напряжением затвор-исток, когда напряжение затвор-исток Ugs используется в качестве опорной переменной. Выходной ток коллектор-эмиттер регулируется напряжением затвор-исток Ugs, причем более высокое Ugs приводит к большему Id. Это похоже на выходные характеристики GTR и может быть разделено на область насыщения (1), область усиления (2) и характеристики пробоя (3). В выключенном состоянии IGBT прямое напряжение несет переход J2, а обратное напряжение — переход J1. Если нет буферной области N+, прямое и обратное блокирующие напряжения могут быть на одном уровне. Однако после добавления буферной области N+ обратное блокирующее напряжение может достигать только десятков вольт, что ограничивает область применения IGBT.
Передача
Характеристики передачи IGBT относятся к соотношению между выходным током коллектора-эмиттера Id и напряжением затвор-исток Ugs. Они аналогичны характеристикам передачи MOSFET. Когда напряжение затвор-исток меньше порогового напряжения Ugs(th), IGBT находится в выключенном состоянии. В пределах большей части диапазона тока коллектор-эмиттер, когда IGBT проводит ток, Id линейно зависит от Ugs. Максимальное напряжение затвор-исток ограничено максимальным током коллектор-эмиттер, и его оптимальное значение обычно составляет около 15 В.
Динамические характеристики
Динамические характеристики IGBT также называются характеристиками переключения, которые можно разделить на две части: скорость переключения и потери при переключении.
Характеристики переключения IGBT относятся к соотношению между током коллектор-эмиттер и напряжением коллектор-исток. Когда IGBT находится в проводящем состоянии, его PNP-транзистор имеет низкое значение B из-за широкой базы. Хотя эквивалентная схема представляет собой структуру Дарлингтона, ток, протекающий через MOSFET, становится основной частью общего тока IGBT. В это время напряжение в включенном состоянии Uds(on) может быть выражено следующим образом:
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
где Uj1 — прямое напряжение перехода J1 со значением 0,7–1 В, Udr — падение напряжения на сопротивлении Rdr, а Roh — сопротивление канала. Ток в включенном состоянии Ids можно выразить следующим образом:
Ids=(1+Bpnp)Imos
где Imos — ток, протекающий через MOSFET. Из-за эффекта модуляции проводимости в области N+ падение напряжения в включенном состоянии IGBT невелико, и падение напряжения в включенном состоянии IGBT 1000 В составляет 2-3 В. Когда IGBT находится в выключенном состоянии, существует только небольшой ток утечки.
Во время процесса включения IGBT большую часть времени он работает как MOSFET. Только на поздней стадии снижения напряжения коллектор-исток Uds PNP-транзистор переключается из области усиления в область насыщения, что увеличивает время задержки. td(on) — время задержки включения, а tri — время нарастания тока. В практических приложениях время включения тока коллектор-эмиттер ton является суммой td(on) и tri, а время падения напряжения коллектор-исток состоит из tfe1 и tfe2.
Типы IGBT
IGBT с низким энергопотреблением
IGBT обычно используется в диапазоне 600 В, 1 кА и 1 кГц или выше. Чтобы удовлетворить потребности развития индустрии бытовой техники, такие компании, как Motorola, ST Semiconductor и Mitsubishi, представили продукты IGBT с низким энергопотреблением, которые подходят для бытовой техники, такой как микроволновые печи, стиральные машины, индукционные плиты, электронные выпрямители и камеры.
IGBT
U (траншейная структура) — IGBT представляет собой структуру, в которой внутри ячейки чипа с помощью вырезания канавок на ядре чипа формируется траншейный затвор. После внедрения траншейной структуры размер ячейки может быть еще больше уменьшен, сопротивление канала может быть снижено, плотность тока может быть улучшена, и может быть изготовлен самый маленький продукт с таким же номинальным током и размером чипа. Существует множество компаний, которые производят различные продукты U-IGBT, подходящие для низковольтного привода и поверхностного монтажа.
Договор о нераспространении ядерного оружия - Международное агентство по атомной энергии
NPT (non-punch-through) — IGBT использует технологию тонких кремниевых пластин для замены толстого эпитаксиального слоя с высоким сопротивлением ионной имплантацией в область эмиттера, что позволяет снизить производственные затраты примерно на 25 %. Чем выше выдерживаемое напряжение, тем больше разница в стоимости. Он обладает превосходными характеристиками по производительности, высокой скорости, низким потерям, положительным температурным коэффициентом, отсутствием эффекта защелкивания и максимальной надежностью при проектировании IGBT от 600 до 1200 В. Siemens может предоставить продукты серий 600 В, 1200 В, 1700 В и высоковольтный IGBT 6500 В. Компания также выпустила NPT-IGBT типа DLC с низким падением напряжения насыщения. Infineon, Harris, Intersil, Toshiba и другие компании также разработали NPT-IGBT и серии модулей. Fuji Electric, Motorola и другие компании в настоящее время занимаются его разработкой, и тип NPT становится направлением развития IGBT.
Биполярный транзистор с малым сигналом – биполярный транзистор с изолированным затвором
Учитывая, что в настоящее время производители уделяют большое внимание разработке IGBT, Samsung, QuickLogic и другие компании используют технологию SDB (прямое соединение кремниевых пластин) для производства высокоскоростных IGBT четвертого поколения и модульных серийных продуктов на линии по производству интегральных схем. Характеристики: высокая скорость, низкое падение напряжения насыщения, низкий хвостовой ток и положительный температурный коэффициент, которые являются отличными в диапазоне напряжений 600 В и 1200 В, разделенном на две системы: UF и RUF.
Сверхбыстрый IGBT
Основной направленностью научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ международной компании IR, занимающейся выпрямителями, является уменьшение хвостового эффекта IGBT и обеспечение его быстрого отключения. Разработанный сверхбыстрый IGBT позволяет минимизировать хвостовой эффект, время отключения составляет не более 2000 нс. Благодаря использованию специальной технологии наслоения с высокой энергией облучения время отключения может быть менее 100 нс, а хвост еще короче. Ключевые продукты предназначены для управления двигателями, доступны шесть моделей, а также могут использоваться в высокомощных преобразователях энергии.
Биполярный транзистор с изолированным затвором / Прямой падение напряжения
Компания IR представила два новых устройства, в которых FRD (диод быстрого восстановления) сочетается с IGBT. Эффективное сочетание IGBT/FRD снижает потери при переключении на 20%. Устройства имеют корпус TO-247 и номинальные характеристики 1200 В, 25, 50, 75 и 100 А. Они используются для привода двигателей и преобразования энергии. Новая технология на основе IGBT и FRD способствует параллельному подключению устройств, обеспечивая более равномерную температуру в многочиповых модулях и повышая общую надежность.
Модули IGBT
Модуль IGBT — это тип модульного полупроводникового изделия, состоящего из чипов IGBT и чипов диодов свободного хода (FWD), объединенных с помощью специальных соединительных цепей. Эти модули напрямую используются в различных устройствах, таких как частотно-регулируемые приводы (VFD) и инверторные модули. Они известны своими энергосберегающими характеристиками, простотой установки и обслуживания, а также стабильным теплоотводом. Большинство IGBT, доступных на рынке, имеют форму таких модульных продуктов.
От PIM до IPEM: эволюция модулей IGBT
Модули IGBT используют драйверы IC и различные схемы защиты драйверов, высокопроизводительные чипы IGBT и новые технологии упаковки. Они эволюционировали от интегрированных силовых модулей (PIM) до интеллектуальных силовых модулей (IPM), силовых электронных блоков (PEBB) и интегрированных силовых электронных модулей (IPEM). PIM эволюционировали в сторону высоковольтных и высокоточных приложений с ассортиментом продуктов 1200-1800 А/1800-3300 В. IPM в основном используются для приводов с переменной частотой, в то время как IPM 600 А/2000 В используются в инверторах VVVF электровозов. PEBB используют технологию плоской упаковки с низкой индуктивностью и высокотоковыми IGBT-модулями в качестве активных устройств, которые используются в ракетных пусковых установках кораблей. IPEM используют технологию многочиповых модулей с керамическими чипами, изготовленными методом совместного обжига, для сборки PEBB, что значительно снижает индуктивность проводки схемы и повышает эффективность системы. Успешно разработано второе поколение IPEM, в котором все пассивные компоненты встроены в подложку в виде погруженных слоев.
Интеллектуальная и модульная конструкция становится горячей точкой в разработке IGBT. С продвижением концепций энергосбережения и защиты окружающей среды эти продукты будут становиться все более распространенными на рынке.
IGBT против MOSFET
| Feature | IGBT | MOSFET |
|---|---|---|
| Full name | Insulated Gate Bipolar Transistor | Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor |
| Number of leads | 3 | 3 |
| Lead names | Collector (C), Emitter (E), Gate (G) | Source (S), Drain (D), Gate (G) |
| Breakdown Voltage | Up to 1200V | Lower than IGBTs |
| Collector Saturation Current | Over 1500A | Lower than IGBTs |
| Switching Speed | between 1 kHz and 20 kHz | 20 to 200 picoseconds |
| Conduction Losses | Lower | Higher |
| Switching Losses | Higher | lower |
| Thermal Stability | Better | Worse |
| Safe Operating Area (SOA) | Larger | Smaller |
| Advantages | High breakdown voltage, high collector saturation current, good high-frequency performance | Good thermal stability, large safe operating area |
| Disadvantages | Slow switching speed, high switching losses | Low breakdown voltage, low operating current |
| Typical applications | Inverters, motor drives, power supplies for high voltage and high current applications | Switching power supplies, DC-DC converters, power amplifiers |
Как проверить IGBT с помощью мультиметра?
Чтобы проверить IGBT с помощью мультиметра, необходимо выполнить следующие действия:
Определите полярность:
Установите мультиметр на R×1KΩ и измерьте сопротивление между каждым из трех выводов. Вывод с бесконечным сопротивлением по отношению к двум другим выводам после переключения проводов мультиметра является выводом затвора (G). Затем снова измерьте сопротивление с двумя другими выводами, и вывод с более низким сопротивлением является коллектором (C), а другой — эмиттером (E).
Проверка функциональности:
Установите мультиметр на R×10KΩ и подключите черный щуп к коллектору (C), а красный щуп к эмиттеру (E) IGBT. Стрелка мультиметра должна находиться в нулевом положении. Одновременно прикоснитесь пальцами к контактам затвора (G) и коллектора (C), и IGBT должен включиться, а стрелка мультиметра должна сместиться в сторону более низкого значения сопротивления и остаться там. Затем прикоснитесь пальцами к контактам затвора (G) и эмиттера (E), и IGBT должен выключиться, а стрелка мультиметра должна вернуться в нулевое положение. Если это произошло, то IGBT работает правильно.
Меры предосторожности: для тестирования
IGBT используйте любой мультиметр с указателем. При тестировании функциональности всегда устанавливайте мультиметр на R×10KΩ, так как при более низких настройках сопротивления напряжение недостаточно для запуска IGBT. Этот метод также можно использовать для проверки функциональности силовых MOSFET (P-MOSFET).
Применение IGBT
Являясь одним из важных высокомощных устройств силовой электроники, IGBT широко используется в бытовой технике, транспорте, энергетике, возобновляемых источниках энергии, интеллектуальных сетях и других областях.
В промышленных приложениях, таких как управление дорожным движением, преобразование энергии, промышленные двигатели, источники бесперебойного питания, оборудование для ветровой и солнечной энергетики, а также преобразователи частоты для автоматического управления.
В бытовой электронике IGBT используются в бытовой технике, фотоаппаратах и мобильных телефонах.
