Биполярный транзистор с изолированным затвором ( IGBT ) представляет собой силовое полупроводниковое устройство с тремя выводами, в основном образующее электронный переключатель. Он был разработан для сочетания высокой эффективности с быстрым переключением. Он состоит из четырех чередующихся слоев ( P–N–P–N ), которые управляются затворной структурой металл–оксид–полупроводник (МОП) .
Хотя структура IGBT топологически аналогична тиристору с «МОП-затвором» ( MOS-gate thiristor ), действие тиристора полностью подавляется, и во всем диапазоне работы устройства допускается только действие транзистора . Применяется в импульсных источниках питания в мощных устройствах: частотно-регулируемых приводах (ЧРП) для управления двигателями в электромобилях , поездах, регулировочных холодильниках и кондиционерах, а также в балластах ламп, аппаратах дуговой сварки, источниках бесперебойного питания . системы электропитания (ИБП) и индукционные плиты .
Поскольку IGBT предназначен для быстрого включения и выключения, он может синтезировать сигналы сложной формы с помощью широтно-импульсной модуляции и фильтров нижних частот , поэтому он также используется в переключающих усилителях в звуковых системах и промышленных системах управления . В коммутационных приложениях современные устройства имеют частоту повторения импульсов , близкую к частотам ультразвукового диапазона, которые как минимум в десять раз превышают звуковые частоты, обрабатываемые устройством при использовании в качестве аналогового усилителя звука. По состоянию на 2010 год [обновлять]IGBT был вторым наиболее широко используемым силовым транзистором после силового MOSFET . [ нужна цитата ]
IGBT-ячейка построена аналогично n-канальному мощному MOSFET-транзистору вертикальной конструкции , за исключением того, что сток n+ заменен слоем коллектора p+, образуя таким образом транзистор с вертикальным биполярным переходом PNP . Эта дополнительная область p+ создает каскадное соединение транзистора с биполярным переходом PNP с поверхностным n-канальным МОП-транзистором .
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( MOSFET) был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. [3] Основной режим работы IGBT, при котором pnp-транзистор управляется MOSFET, был впервые предложено К. Ямагами и Ю. Акагири из Mitsubishi Electric в японском патенте S47-21739, поданном в 1968 году. [4]
После коммерциализации силовых МОП-транзисторов в 1970-х годах Б. Джаянт Балига в 1977 году подал в General Electric (GE) патентное описание , описывающее силовое полупроводниковое устройство с режимом работы IGBT, включая МОП- затвор тиристоров , четырехслойный VMOS. (V-образная канавка MOSFET) и использование МОП-затворных структур для управления четырехслойным полупроводниковым устройством. Он начал изготовление устройства IGBT с помощью Маргарет Лазери из GE в 1978 году и успешно завершил проект в 1979 году. [5] Результаты экспериментов были опубликованы в 1979 году. [6] [7] Структура устройства называлась «МОП-транзистор с V-образной канавкой, в котором область стока заменена областью анода p-типа» в этой статье и впоследствии как «выпрямитель с изолированным затвором» (IGR), [8] транзистор с изолированным затвором (IGT), [ 9] полевой транзистор с модулированной проводимостью (COMFET) [10] и «MOSFET биполярного режима». [11]
О симисторном устройстве с МОП-управлением сообщили Б. В. Шарф и Дж. Д. Пламмер с их боковым четырехслойным устройством (SCR) в 1978 году. [12] Пламмер подал заявку на патент для этого режима работы в четырехслойном устройстве (SCR) в 1978. USP № 4199774 был выпущен в 1980 году, а B1 Re33209 переиздан в 1996 году. [13] Режим работы IGBT в четырехслойном устройстве (SCR) переключался на работу тиристора, если ток коллектора превышал ток фиксации. , который в известной теории тиристора известен как «ток удержания». [ нужна цитата ]
Развитие IGBT характеризовалось попытками полностью подавить работу тиристора или защелку в четырехслойном устройстве, поскольку защелка вызывала фатальный отказ устройства. Таким образом, БТИЗ были созданы, когда было достигнуто полное подавление фиксации паразитного тиристора, как описано ниже.
Ханс В. Бекке и Карл Ф. Уитли разработали аналогичное устройство, на которое они подали заявку на патент в 1980 году и которое они назвали «силовым МОП-транзистором с анодной областью». [14] [15] В патенте утверждалось, что «ни при каких условиях работы устройства действие тиристора не происходит». Устройство имело общую структуру, аналогичную более раннему устройству IGBT Балиги, о котором сообщалось в 1979 году, а также аналогичное название. [5]
А. Накагава и др. изобрел концепцию конструкции устройства без защелки IGBT в 1984 году. [16] Изобретение [17] характеризуется тем, что конструкция устройства устанавливает ток насыщения устройства ниже тока защелки, который запускает паразитный тиристор. В этом изобретении впервые было реализовано полное подавление паразитного действия тиристора, поскольку максимальный ток коллектора ограничивался током насыщения и никогда не превышал ток фиксации.
На ранней стадии разработки IGBT все исследователи пытались увеличить ток фиксации, чтобы подавить фиксацию паразитного тиристора. Однако все эти усилия потерпели неудачу, поскольку IGBT мог проводить чрезвычайно большой ток. Успешное подавление защелки стало возможным благодаря ограничению максимального тока коллектора, который мог проводить IGBT, ниже тока защелки за счет контроля/уменьшения тока насыщения собственного полевого МОП-транзистора. Это была концепция IGBT без фиксации. «Устройство Бекке» стало возможным благодаря незапирающемуся IGBT.
IGBT характеризуется способностью одновременно выдерживать высокое напряжение и большой ток. Произведение напряжения и плотности тока, с которыми может справиться IGBT, достигло более 5 × 10.5 Вт/см 2 , [18] [19] что значительно превышает значение 2 × 105 Вт/см 2 существующих силовых устройств, таких как биполярные транзисторы и силовые МОП-транзисторы. Это является следствием большой безопасной рабочей зоны IGBT. IGBT — самое прочное и мощное силовое устройство из когда-либо созданных, обеспечивающее простоту использования и заменяющее, таким образом, биполярные транзисторы и даже тиристоры с затвором (GTO). Эта превосходная особенность IGBT внезапно проявилась, когда в 1984 году был создан IGBT без защелки, решивший проблему так называемого «защелкивания», которое является основной причиной разрушения или отказа устройства. До этого разработанные устройства были очень слабыми и их легко было вывести из строя из-за «защелкивания».
О практических устройствах, способных работать в расширенном диапазоне тока, впервые сообщили Б. Джаянт Балига и др. в 1982 году. [8] О первой экспериментальной демонстрации практического дискретного вертикального устройства IGBT сообщил Балига на Международной конференции IEEE по электронным устройствам (IEDM) в том же году. [20] [8] В том же году компания General Electric коммерциализировала IGBT-устройство Балиги. [5] Балига был занесен в Национальный зал славы изобретателей за изобретение IGBT. [21]
Аналогичный документ был также представлен JP Russel et al. в IEEE Electron Device Letter в 1982 году. [10] Первоначально сообщество силовой электроники считало, что применение этого устройства строго ограничено из-за его медленной скорости переключения и фиксации паразитной тиристорной структуры, присущей устройству. Однако это было продемонстрировано Балигой, а также AM Goodman et al. в 1983 году скорость переключения можно регулировать в широком диапазоне с помощью электронного облучения . [9] [22] За этим последовала демонстрация работы устройства при повышенных температурах Балигой в 1985 году. [23] Успешные попытки подавить фиксацию паразитного тиристора и масштабирование номинального напряжения устройств при В 1983 году компания GE разрешила выпуск коммерческих устройств [24] , которые можно было использовать для самых разных приложений. Электрические характеристики устройства GE, IGT D94FQ/FR4, были подробно описаны Марвином В. Смитом в материалах PCI в апреле 1984 года. [25] Марвин В. Смит показал на рис. ток при сопротивлении затвора 5 кОм и выше 5 ампер при сопротивлении затвора 1 кОм был ограничен безопасной рабочей зоной переключения, хотя IGT D94FQ/FR4 был способен проводить 40 ампер тока коллектора. Марвин В. Смит также заявил, что зона безопасного переключения ограничена фиксацией паразитного тиристора.
Полное подавление паразитного действия тиристора и, как следствие, нефиксируемая работа IGBT во всем рабочем диапазоне устройства были достигнуты А. Накагавой и др. в 1984 году. [16] Концепция конструкции без защелки была подана на патенты США. [26] Чтобы проверить отсутствие фиксации, прототипы IGBT на 1200 В были напрямую подключены без каких-либо нагрузок к источнику постоянного напряжения 600 В и включены на 25 микросекунд. На устройстве упало все 600 В, и потек большой ток короткого замыкания. Устройства успешно выдержали это суровое испытание. Это была первая демонстрация так называемой «способности выдерживать короткое замыкание» в IGBT. Впервые была обеспечена работа без фиксации IGBT во всем диапазоне работы устройства. [19] В этом смысле IGBT без защелки, предложенный Гансом В. Беке и Карлом Ф. Уитли, был реализован А. Накагавой и др. в 1984 году. Продукция без защелки IGBT была впервые коммерциализирована компанией Toshiba в 1985 году. Это было настоящее рождение нынешнего IGBT.
Как только в БТИЗ была достигнута возможность отсутствия фиксации, было обнаружено, что БТИЗ обладают очень прочной и очень большой безопасной рабочей зоной . Было продемонстрировано, что произведение плотности рабочего тока и напряжения коллектора превышало теоретический предел биполярных транзисторов 2 × 10 .5 Вт/см 2 и достигала 5 × 105 Вт/см 2 . [18] [19]
Изоляционный материал обычно изготавливается из твердых полимеров, которые подвержены деградации. Существуют разработки, в которых используется ионный гель для улучшения производства и снижения требуемого напряжения. [27]
IGBT первого поколения 1980-х и начала 1990-х годов были склонны к отказам из-за таких эффектов, как защелкивание (при котором устройство не выключается, пока течет ток) и вторичный пробой (при котором локализованная горячая точка в устройстве переходит в тепловой разгон и сгорание устройства при больших токах). Устройства второго поколения были значительно усовершенствованы. Нынешние IGBT третьего поколения еще лучше: по скорости они могут конкурировать с мощными МОП-транзисторами , а также отличаются превосходной прочностью и устойчивостью к перегрузкам. [18] Чрезвычайно высокие импульсные характеристики устройств второго и третьего поколения также делают их полезными для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазмы , где они начинают вытеснять старые устройства, такие как тиратроны и управляемые искровые разрядники . Высокие значения импульсов и низкие цены на вторичном рынке также делают их привлекательными для любителей высокого напряжения для управления большим количеством энергии для привода таких устройств, как твердотельные катушки Тесла и койлганы .
Устройство, предложенное Дж. Д. Пламмером в 1978 году (патент США Re.33209), представляет собой ту же структуру, что и тиристор с МОП-затвором. Пламмер обнаружил и предположил, что устройство можно использовать как транзистор, хотя устройство работает как тиристор при более высоком уровне плотности тока. [28] Устройство, предложенное Дж. Д. Пламмером, называется здесь «устройством Пламмера». С другой стороны, Ханс В. Бекке в 1980 году предложил другое устройство, в котором действие тиристора исключено при любых условиях работы устройства, хотя базовая структура устройства такая же, как у предложенной Дж. Д. Пламмером. Устройство, разработанное Гансом В. Беке, именуется здесь как «устройство Беке» и описано в патенте США 4364073. Разница между «устройством Пламмера» и «устройством Беке» состоит в том, что «устройство Пламмера» имеет в своей основе принцип действия тиристора. Рабочий диапазон и «устройство Бекке» никогда не имеет режима действия тиристора во всем рабочем диапазоне. Это критический момент, поскольку действие тиристора аналогично так называемому «запиранию». «Защелкивание» является основной причиной фатального отказа устройства. Таким образом, теоретически «устройство Пламмера» никогда не представляет собой надежное или мощное устройство с большой безопасной рабочей зоной. Большая безопасная рабочая зона может быть достигнута только после полного подавления и устранения «защелкивания» во всем диапазоне работы устройства. [ нужна цитация ] Однако патент Бекке (патент США 4364073) не раскрывает никаких мер по реализации реальных устройств.
Несмотря на то, что в патенте Беке описывается структура, аналогичная более раннему устройству IGBT Балиги, [5] несколько производителей IGBT заплатили лицензионный сбор за патент Беке. [14] Toshiba коммерциализировала «беззащелкивающийся IGBT» в 1985 году. В 1991 году Стэнфордский университет настаивал на том, что устройство Toshiba нарушает патент США RE33209 на «устройство Пламмера». Toshiba ответила, что «беззащелкивающиеся IGBT» никогда не фиксируются во всем рабочем диапазоне устройства и, таким образом, не нарушают патент США RE33209 «патента Пламмера». Стэнфордский университет так и не ответил после ноября 1992 года. Toshiba приобрела лицензию на «патент Беке», но так и не заплатила лицензионный сбор за «устройство Пламмера». Другие производители IGBT также заплатили лицензионный сбор за патент Беке.
По состоянию на 2010 год [обновлять]IGBT является вторым наиболее широко используемым силовым транзистором после силового MOSFET. На долю IGBT приходится 27% рынка силовых транзисторов, уступая только силовым MOSFET (53%) и опережая ВЧ-усилитель (11%) и транзистор с биполярным переходом (9%). [29] IGBT широко используется в бытовой электронике , промышленных технологиях , энергетическом секторе , аэрокосмических электронных устройствах и на транспорте .
IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором мощных МОП-транзисторов с большими токами и низким напряжением насыщения биполярных транзисторов . IGBT сочетает в себе полевой транзистор с изолированным затвором для входа управления и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве. IGBT используется в устройствах средней и высокой мощности, таких как импульсные источники питания , управление тяговыми двигателями и индукционный нагрев . Большие модули IGBT обычно состоят из множества устройств, подключенных параллельно, и могут иметь очень высокие токи, порядка сотен ампер , с блокирующим напряжением 6500 В. Эти IGBT могут управлять нагрузками мощностью в сотни киловатт .
IGBT имеет значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с обычным MOSFET в устройствах с более высоким номинальным напряжением блокировки, хотя MOSFETS демонстрируют гораздо более низкое прямое напряжение при более низких плотностях тока из-за отсутствия диода Vf в выходном BJT IGBT. По мере увеличения номинального напряжения блокировки как MOSFET, так и IGBT устройств глубина области n-дрейфа должна увеличиваться, а легирование должно уменьшаться, что приводит к примерно квадратичному соотношению уменьшения прямой проводимости и способности устройства блокировать напряжение. При введении неосновных носителей (дырок) из p+-области коллектора в область n-дрейфа во время прямой проводимости сопротивление области n-дрейфа значительно снижается. Однако это результирующее снижение прямого напряжения в открытом состоянии имеет несколько недостатков:
В целом, высокое напряжение, большой ток и более низкие частоты предпочтительнее для IGBT, тогда как низкое напряжение, средний ток и высокие частоты переключения являются прерогативой MOSFET.
Схемы с IGBT можно разрабатывать и моделировать с помощью различных компьютерных программ моделирования цепей, таких как SPICE , Sabre и других программ. Для моделирования схемы IGBT устройство (и другие устройства в схеме) должно иметь модель, которая прогнозирует или моделирует реакцию устройства на различные напряжения и токи на его электрических клеммах. Для более точного моделирования в моделирование можно включить влияние температуры на различные части IGBT. Доступны два распространенных метода моделирования: модель на основе физики устройства , эквивалентные схемы или макромодели. SPICE моделирует IGBT, используя макромодель, которая объединяет ансамбль компонентов, таких как полевые транзисторы и биполярные транзисторы, в конфигурации Дарлингтона . [ нужна цитата ] Альтернативной моделью, основанной на физике, является модель Хефнера, представленная Алленом Хефнером из Национального института стандартов и технологий . Модель Хефнера довольно сложна, но показала хорошие результаты. Модель Хефнера описана в статье 1988 года и позже была расширена до термоэлектрической модели, которая включает реакцию IGBT на внутренний нагрев. Эта модель была добавлена в версию программного обеспечения для моделирования Sabre . [30]
Механизмы разрушения IGBT включают в себя перенапряжение (O) и износ (wo) отдельно.
К отказам из-за износа в основном относятся нестабильность температуры смещения (BTI), инжекция горячего носителя (HCI), временной пробой диэлектрика (TDDB), электромиграция (ECM), усталость припоя, реконструкция материала, коррозия. Неисправности из-за перенапряжения в основном включают электростатический разряд (ESD), защелкивание, лавинную реакцию, вторичный пробой, отрыв проводной связи и перегорание. [31]
