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Entwicklungsgeschichte des IGBT
Der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) hat seit seiner Einführung die Leistungselektronik revolutioniert und einen entscheidenden Meilenstein in der Entwicklung hocheffizienter Energieumwandlungssysteme markiert. Der IGBT wurde Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre entwickelt und entwickelte sich zu einem hybriden Halbleiterbauelement, das die Vorteile von Bipolar Junction Transistors (BJTs) und Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) kombinierte. Diese innovative Fusion zielte darauf ab, die Einschränkungen bestehender Technologien zu überwinden und geringere Leitungsverluste als BJTs und geringere Schaltverluste als MOSFETs zu bieten und so den Weg für eine neue Ära in Leistungssteuerungsanwendungen zu ebnen. Im Laufe der Jahrzehnte folgte die Entwicklung der IGBT-Technologie eng den Fortschritten in Materialwissenschaft, Prozesstechnologie und Schaltungsdesign und erweiterte kontinuierlich die Grenzen von Leistung und Effizienz. Von seinen bescheidenen Anfängen in industriellen Motorsteuerungen und USV-Systemen dominiert der IGBT heute Sektoren von Wechselrichtern für erneuerbare Energien bis hin zu Elektrofahrzeugen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung einer grüneren und nachhaltigeren Zukunft.
Prähistorische Ära -PT
PT ist die früheste Generation von IGBT. Es verwendet ein stark dotiertes P+-Substrat als Startschicht, auf dem nacheinander N+-Puffer und N-Basis-Epitaxie wachsen und schließlich die Zellstruktur auf der Oberfläche der Epitaxieschicht gebildet wird. Es wird so genannt, weil das elektrische Feld zum Abschaltzeitpunkt durch die gesamte N-Basisregion verläuft. Sein Prozess ist komplex, seine Kosten sind hoch und es muss die Trägerlebensdauer kontrolliert werden. Der Sättigungsspannungsabfall hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, was einer Parallelschaltung nicht förderlich ist. Obwohl es in den 1980er Jahren ein Sturm war, wurde es Ende der 1980er Jahre allmählich durch NPT ersetzt. Derzeit ist es in der Welt verborgen. Derzeit verwenden alle IGBT-Produkte von Infineon keine PT-Technologie.
Früher Marktführer - IGBT2
Merkmale: planares Gate, nicht durchdringende Struktur (NPT)
NPT-IGBT kam 1987 auf den Markt und wurde in den 1990er Jahren schnell zum Vorreiter. Der Unterschied zwischen NPT und PT besteht darin, dass es das niedrig dotierte N-Substrat als Startschicht verwendet, zuerst eine MOS-Struktur auf der Vorderseite des N-Driftbereichs erzeugt, dann den Schleifdünnungsprozess verwendet, um die Dicke von der Rückseite auf die von der IGBT-Spannungsspezifikation geforderte Dicke zu reduzieren, und dann den Ionenimplantationsprozess verwendet, um von der Rückseite aus einen P+-Kollektor zu bilden. Zum Abschaltzeitpunkt durchdringt das elektrische Feld den N-Driftbereich nicht, daher wird es als IGBT vom Typ „nicht durchdringend“ bezeichnet. NPT benötigt keine Trägerlebensdauersteuerung, hat jedoch den Nachteil, dass, wenn eine höhere Spannungssperrfähigkeit erforderlich ist, zwangsläufig ein höherer spezifischer Widerstand und eine dickere N-Driftschicht erforderlich sind, was bedeutet, dass auch die gesättigte Einschaltspannung Vce (sat) ansteigt, was den Verlust und den Temperaturanstieg des Geräts stark erhöht.
Eigenschaften: geringer Sättigungsdruckabfall, positiver Temperaturkoeffizient, 125 °C Arbeitsübergangstemperatur, hohe Robustheit
Positiver Temperaturkoeffizient, praktisch für Parallelschaltung.
Name: DLC, KF2C, S4
Warte, da scheint was Seltsames dabei zu sein!
Kein Fehler! S4 ist eigentlich kein IGBT4, sondern IGBT2 mit roten Wurzeln. Es ist für Hochfrequenzschaltanwendungen geeignet. Die harte Schaltfrequenz kann 40 kHz erreichen. Dieses Starprodukt verkauft sich immer noch gut.
Leistungssprung-IGBT3
Ausstattung: Grabentor, Feldstopp
Das Aufkommen von IGBT3 hat eine gewaltige Revolution im Bereich IGBT ausgelöst. Die Zellstruktur von IGBT3 hat sich vom ebenen Typ zum Rillentyp geändert. Bei gerillten IGBTs verläuft der elektronische Kanal senkrecht zur Oberfläche des Siliziumwafers, wodurch die JFET-Struktur eliminiert, die Dichte des Oberflächenkanals erhöht und die Trägerkonzentration in der Nähe der Oberfläche verbessert wird, wodurch die Leistung optimiert wird. (Informationen zum Unterschied zwischen planarer und gerillter Gate-Technologie finden Sie im Artikel „Strukturanalyse von planaren und gerillten IGBTs“).
Um den Widerspruch zwischen Sperrspannung und Sättigungsspannungsabfall zu mildern, brachte Yingjia im Jahr 2000 den Field Stop IGBT auf den Markt, mit dem Ziel, die Dicke der Driftzone zu minimieren und so die Sättigungsspannung zu reduzieren. Das Ausgangsmaterial des Field Stop IGBT ist das gleiche wie das des NPT, beide sind niedrig dotierte N-Substrate. Der Unterschied besteht darin, dass auf der Rückseite des FS IGBT eine zusätzliche N-Pufferschicht aufgebracht ist, deren Dotierungskonzentration etwas höher ist als die des N-Substrats. Daher kann die Intensität des elektrischen Felds schnell reduziert werden, wodurch das gesamte elektrische Feld trapezförmig wird, wodurch die erforderliche Dicke der N-Driftzone stark reduziert wird. Darüber hinaus kann der N-Puffer auch die Emissionseffizienz des P-Emitters reduzieren und so den Schleppstrom und die Verluste beim Abschalten verringern. (Weitere Informationen zum Unterschied zwischen NPT und Feldabschaltgeräten finden Sie unter Unterschied zwischen PT, NPT und FS IGBT).
Fähigkeiten: geringer Leitungsspannungsabfall, 125 ℃ Arbeitsübergangstemperatur (150 ℃ für 600-V-Geräte), Optimierung der Schalterleistung
Aufgrund der Feldabschaltung und der gerillten Zelle ist der Durchlassspannungsabfall von IGBT3 geringer und die typische Vce (sat) reicht von 3,4 V in der zweiten Generation bis 2,55 V in der dritten Generation (z. B. 3300 V).
Bezeichnung: T3, E3, L3
IGBT3 wurde im Mittel- und Niederspannungsbereich grundsätzlich durch IGBT4 ersetzt, dominiert jedoch immer noch im Hochspannungsbereich. Beispielsweise verwenden die Mainstream-Produkte mit 3300 V, 4500 V und 6500 V immer noch die IGBT3-Technologie.
Das Herzstück - IGBT4
IGBT4 ist derzeit die am weitesten verbreitete IGBT-Chiptechnologie. Die Spannung umfasst 600 V, 1200 V, 1700 V und der Strombereich reicht von 10 A bis 3600 A. Sie ist in verschiedenen Anwendungen zu sehen.
Merkmale: Trench-Gate + Feldabschaltung + dünner Wafer
Wie IGBT3 handelt es sich um eine Feldabschaltungs-+Groove-Gate-Struktur, aber IGBT4 optimiert die Rückstruktur, die Dicke der Driftzone ist dünner und die Dotierungskonzentration und Emissionseffizienz des hinteren P-Emitters und des N-Puffers sind optimiert.
Eigenschaften: Hohe Schaltfrequenz, optimierte Schaltweichheit, 150 ℃ Arbeitsübergangstemperatur
IGBT4 reduziert den Schaltverlust weiter, indem dünne Wafer verwendet und die Rückstruktur optimiert wird, während die Schaltweichheit höher ist. Gleichzeitig wurde die maximal zulässige Betriebstemperatur der Sperrschicht von 125 °C in der dritten Generation auf 150 °C erhöht, was die Ausgangsstromkapazität des Geräts zweifellos weiter erhöhen wird.
Bezeichnung: T4, E4, P4
T4 ist eine Low-Power-Serie mit einer maximalen Schaltfrequenz von 20 kHz.
E4 ist mit einer maximalen Schaltfrequenz von 8 kHz für Anwendungen mit mittlerer Leistung geeignet.
P4 optimiert die Schaltweichheit weiter, was für Hochleistungsanwendungen besser geeignet ist, und die Schaltfrequenz beträgt bis zu 3 kHz.
Reicher Mann kommt auf die Bühne - IGBT5
Merkmale: Grabentor + Feldabschaltung + Oberfläche mit Kupfer bedeckt
IGBT5 ist das luxuriöseste Produkt aller IGBT-Serien. Andere Chips verwenden Aluminium für die Oberflächenmetallisierung. IGBT5 verwendet dickes Kupfer anstelle von Aluminium. Die Stromkapazität und Wärmekapazität von Kupfer sind weitaus besser als die von Aluminium, sodass IGBT5 eine höhere Arbeitsübergangstemperatur und einen höheren Ausgangsstrom ermöglicht. Gleichzeitig wird die Chipstruktur optimiert und die Chipdicke weiter reduziert.
Eigenschaften: 175 °C Arbeitsübergangstemperatur, 1,5 V Sättigungsspannung, Ausgangsstromkapazität um 30 % erhöht
Da die Oberfläche von IGBT5 mit Kupfer beschichtet ist und die fortschrittliche XT-Verpackungstechnologie bei der Modulverpackung zum Einsatz kommt, kann die Arbeitsübergangstemperatur 175 °C erreichen. Im Vergleich zu IGBT4 ist die Chipdicke weiter reduziert, wodurch der Sättigungsspannungsabfall geringer und die Ausgangsstromkapazität um 30 % erhöht wird.
Bezeichnung: E5, P5
Derzeit werden IGBT5-Chips nur in PrimePACK™ verpackt. Außerdem beträgt die Spannung nur 1200 V und 1700 V, was den Produkten FF1200R12IE5 und FF1800R12IP5 entspricht.
Wahr und falsch Monkey King - TRENCHSTOP ™ 5
Im Einzelmanagementsektor gibt es eine Produktkategorie namens TRENCHSTOP ™ 5. Ich höre oft Leute fragen, ob H5, F5, S5 und L5 IGBT5 sind? Streng genommen ist es das nicht. Obwohl der Name 5 enthält, gehören H5, F5 und S5 zu einer anderen Familie namens TRENCHSTOP ™ 5. Diese Familie hat keinen Segen der „goldenen Rüstung“ und das Gen unterscheidet sich auch von IGBT5.
Features: Feinrillenraster+Feldabschaltung
Obwohl sie alle Grabengitter genannt werden, unterscheiden sich TRENCHSTOP™ dennoch stark von ihren Vorgängern. Sie haben dichtere Kanäle und eine höhere Stromdichte. Sie sind nicht kurzschlussfest und erreichen dennoch die beste Betriebsleistung.
Eigenschaften: 175 ℃ maximale Arbeitsübergangstemperatur, hohe Schaltfrequenz, keine Kurzschlussfestigkeit
Leistung und Kurzschluss sind immer ein Widerspruch. Um eine hervorragende Leistung zu erzielen, wird bei TRENCHSTOP™ 5 die Kurzschlusszeit geopfert. TRENCHSTOP™ 5 kann je nach Anwendungszweck extrem niedrige Leitungsverluste oder extrem hohe Schaltfrequenzen erreichen, wobei die maximale Schaltfrequenz 70 bis 100 kHz beträgt und der minimale Leitungsspannungsabfall nur 1,05 V betragen kann.
Bezeichnung: H5, F5, S5, L5
TRENCHSTOP ™ Derzeit gibt es nur 650-V-Geräte, und sie sind alle diskrete Geräte. Diese Produktreihe optimiert den Durchlassverlust und den Schaltverlust für verschiedene Anwendungen. H5/F5 ist für Hochfrequenzanwendungen geeignet und L5 hat den niedrigsten Leitungsverlust. TRENCHSTOP ™ 5 Die Position jedes Produkts auf der Kompromisskurve ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Aufgehender Stern - IGBT6
Obwohl zwischen der 6. und der 4. Generation eine Lücke von 5 besteht, ist die 6. Generation tatsächlich die optimierte Version der 4. Generation, die immer noch Trench Gate + Feldabschaltung ist. IGBT6 wird derzeit nur in Einzelröhren verwendet.
Eigenschaften: Grabengitter+Feldabschaltung
Die Gerätestruktur ähnelt der von IGBT4, aber die rückseitige P+-Einspritzung ist optimiert, um eine neue Kompromisskurve zu erhalten.
Fähigkeit: 175 ℃ maximale Arbeitsübergangstemperatur, Rg steuerbar, 3us Kurzschluss
IGBT6 gibt es derzeit in zwei Produktreihen: S6 weist einen geringen Leitungsverlust auf, Vce (sat) 1,85 V; H6 weist einen geringen Schaltverlust auf, der 15 % niedriger ist als bei H3.
Bezeichnung: S6, H6
IGBT6 verfügt nur über Einzelröhren-Verpackungsprodukte wie IKW15N12BH6, IKW40N120CS6, die mit TO-247 3Pin, TO-247 plus 3Pin und TO-247 plus 4Pin verpackt sind.
Große Aufmerksamkeit - IGBT7
Nach mehreren Generationen der Ansammlung läutete IGBT 2018 schließlich IGBT7 ein.
Merkmale: Mikrorillen-Gate+Feldabschaltung
Obwohl es sich bei allen um gerillte Gitter handelt, wird die gesamte Struktur sehr unterschiedlich sein, wenn ein weiteres Mikrowort vorhanden ist. Die IGBT7-Kanaldichte ist höher, der Zellabstand ist ebenfalls sorgfältig ausgelegt und die parasitären Kapazitätsparameter sind optimiert, um die beste Schaltleistung bei 5 kV/µs zu erzielen.
Fähigkeit: 175 ℃ Überlast-Sperrschichttemperatur, dv/dt steuerbar
Im Vergleich zu IGBT4 ist die Vce (sat) von IGBT7 um 20 % reduziert, wodurch eine maximale vorübergehende Betriebssperrschichttemperatur von 175 °C erreicht werden kann.
Bezeichnung: T7, E7
Zu den repräsentativen Produkten gehören: FP25R12W1T7. T7 ist für Motortreiber optimiert, die bei 5 kV/µs die beste Leistung erzielen können. E7 wird häufiger verwendet, unter anderem als Treiber für elektrische Nutzfahrzeuge, als Photovoltaik-Wechselrichter usw.
YTPQC-AHF, SVG
YTPQC-AHF (Aktiver Oberwellenfilter) , SVG (Statischer Var-Generator) verwendet hauptsächlich den fünften IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) zur Steuerung der Stärke und Phase der Wechselrichter-Wechselspannung, um die Funktion der Oberwellenfilterung, Blindleistungskompensation und des dreiphasigen Lastausgleichs zu erreichen.
In Bezug auf die Zuverlässigkeit ist die Zuverlässigkeit der IGBTs der höheren Generation aufgrund ihrer mangelnden Popularität geringer als die der IGBTs der niedrigeren Generation.
Der IGBT der siebten Generation hat eine höhere Frequenz und eine höhere Geschwindigkeit. Dies führt zu einem geringeren Volumen anderer Komponenten, die er verwendet, sodass das Gesamtvolumen des Moduls kleiner ist. Für unsere Branche ist der Hauptunterschied das Produktvolumen. In Bezug auf das Produktvolumen entwickeln wir derzeit ein neues 2U-Modul, das eine beträchtliche Kompensationskapazität bei geringerem Volumen aufweist.
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