stringtranslate.com

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Биполярный транзистор с изолированным затвором ( IGBT ) — это трехконтактный силовой полупроводниковый прибор, в первую очередь формирующий электронный переключатель. Он был разработан для объединения высокой эффективности с быстрым переключением. Он состоит из четырех чередующихся слоев (NPNP) [1] [2] [3] [4] [5] , которые управляются структурой затвора металл-оксид-полупроводник (МОП) .

Хотя структура IGBT топологически похожа на тиристор с затвором «МОП» ( MOS-gate thyristor ), действие тиристора полностью подавлено, и разрешено только действие транзистора во всем диапазоне работы устройства. Он используется в импульсных источниках питания в мощных приложениях: частотно-регулируемых приводах (VFD) для управления двигателями в электромобилях , поездах, холодильниках с регулируемой скоростью и кондиционерах, а также в балластах ламп, дуговых сварочных аппаратах, фотоэлектрических и гибридных инверторах, системах бесперебойного питания (ИБП) и индукционных печах .

Поскольку он предназначен для быстрого включения и выключения, IGBT может синтезировать сложные формы волн с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот , поэтому он также используется в коммутационных усилителях в звуковых системах и промышленных системах управления . В коммутационных приложениях современные устройства имеют частоту повторения импульсов, входящую в ультразвуковой диапазон частот, что по крайней мере в десять раз выше звуковых частот, обрабатываемых устройством при использовании в качестве аналогового аудиоусилителя. По состоянию на 2010 год IGBT был вторым наиболее широко используемым силовым транзистором после силового MOSFET . [ необходима цитата ]

Структура устройства

Поперечное сечение типичного IGBT, показывающее внутреннее соединение MOSFET и биполярного устройства.

Ячейка IGBT сконструирована аналогично n-канальному вертикальному MOSFET , за исключением того, что сток n+ заменен слоем коллектора p+, таким образом образуя вертикальный PNP- транзистор с биполярным переходом . Эта дополнительная область p+ создает каскадное соединение PNP-транзистора с биполярным переходом и поверхностным n-канальным MOSFET . Вся структура состоит из четырехслойного NPNP. [1] [2] [3] [4] [5]

Разница между тиристором и IGBT

История

Схема NPNP-транзистора, созданная Фрошем и Дерриком в Bell Labs, 1957 г. [8]

Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 года [9] в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтером Браттейном под руководством Уильяма Шокли . Версия с переходом, известная как биполярный переходный транзистор (BJT), была изобретена Шокли в 1948 году. [10] Позже похожий тиристор был предложен Уильямом Шокли в 1950 году и разработан в 1956 году инженерами-энергетиками General Electric (GE). Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) также был изобретен в Bell Labs. [8] [11] [12] В 1957 году Фрош и Дерик опубликовали свою работу по созданию первых транзисторов на основе диоксида кремния, включая транзистор NPNP, такой же структуры, как и IGBT. [13] Основной режим работы IGBT, в котором pnp-транзистор управляется MOSFET, был впервые предложен К. Ямагами и Ё. Акагири из Mitsubishi Electric в японском патенте S47-21739, который был подан в 1968 году. [14]

Статическая характеристика IGBT

В 1978 году Дж. Д. Пламмер и Б. Шарф запатентовали NPNP-транзисторное устройство, объединяющее возможности МОП и биполярных транзисторов для управления питанием и переключения. [15] [16] Развитие IGBT характеризовалось попытками полностью подавить работу тиристора или защелкивание в четырехслойном устройстве, поскольку защелкивание вызывало фатальный отказ устройства. Таким образом, IGBT были созданы, когда было достигнуто полное подавление защелкивания паразитного тиристора. Позже Ганс В. Бекке и Карл Ф. Уитли разработали похожее устройство, заявляя о не-защелкивании. Они запатентовали устройство в 1980 году, назвав его «мощным МОП-транзистором с анодной областью», для которого «никакого действия тиристора не происходит ни при каких условиях работы устройства». [17] [18]

А. Накагава и др. изобрели концепцию конструкции устройства не-защелкивающихся IGBT в 1984 году. [19] [20] Изобретение характеризуется конструкцией устройства, устанавливающей ток насыщения устройства ниже тока защелкивания, который запускает паразитный тиристор. Это изобретение впервые реализовало полное подавление паразитного действия тиристора, поскольку максимальный ток коллектора был ограничен током насыщения и никогда не превышал ток защелкивания.

На ранней стадии разработки IGBT все исследователи пытались увеличить сам ток защелкивания, чтобы подавить защелкивание паразитного тиристора. Однако все эти усилия потерпели неудачу, поскольку IGBT мог проводить чрезвычайно большой ток. Успешное подавление защелкивания стало возможным благодаря ограничению максимального тока коллектора, который мог проводить IGBT, ниже тока защелкивания путем управления/уменьшения тока насыщения собственного MOSFET. Это была концепция не-защелкивающегося IGBT. «Устройство Бекке» стало возможным благодаря не-защелкивающемуся IGBT.

IGBT характеризуется своей способностью одновременно обрабатывать высокое напряжение и большой ток. Произведение напряжения и плотности тока, которое может обрабатывать IGBT, достигло более 5 × 105  Вт/см 2 , [21] [22] что намного превышает значение 2 × 105  Вт/см 2 существующих силовых устройств, таких как биполярные транзисторы и мощные МОП-транзисторы. Это является следствием большой безопасной рабочей области IGBT. IGBT является самым прочным и самым мощным силовым устройством, когда-либо разработанным, обеспечивающим простоту использования и, таким образом, вытесняющим биполярные транзисторы и даже запираемые тиристоры (GTO). Эта превосходная особенность IGBT внезапно проявилась, когда в 1984 году был создан не-защелкивающийся IGBT, решив проблему так называемого «защелкивания», которое является основной причиной разрушения устройства или отказа устройства. До этого разработанные устройства были очень слабыми и легко разрушались «защелкиванием».

Практические устройства

Практические устройства, способные работать в расширенном диапазоне тока, были впервые представлены Б. Джаянтом Балигой и др. в 1982 году. [23] Первая экспериментальная демонстрация практического дискретного вертикального устройства IGBT была представлена ​​Балигой на Международном собрании по электронным приборам IEEE (IEDM) в том же году. [24] [23] General Electric коммерциализировала устройство IGBT Балиги в том же году. [25] Балига был включен в Национальный зал славы изобретателей за изобретение IGBT. [26]

Аналогичная статья была также представлена ​​JP Russel et al. в IEEE Electron Device Letter в 1982 году. [27] Первоначально сообщество силовой электроники считало, что применение этого устройства будет строго ограничено его медленной скоростью переключения и защелкиванием паразитной тиристорной структуры, присущей устройству. Однако в 1983 году Балига, а также А. М. Гудман и др. продемонстрировали, что скорость переключения может регулироваться в широком диапазоне с помощью электронного облучения . [28] [29] За этим последовала демонстрация работы устройства при повышенных температурах Балигой в 1985 году. [30] Успешные усилия по подавлению защелкивания паразитного тиристора и масштабированию номинального напряжения устройств в GE позволили внедрить коммерческие устройства в 1983 году, [31] которые могли использоваться для самых разных приложений. Электрические характеристики устройства GE, IGT D94FQ/FR4, были подробно изложены Марвином В. Смитом в протоколах PCI в апреле 1984 года. [32] Смит показал на рис. 12 протокола, что выключение свыше 10 ампер для сопротивления затвора 5 кОм и свыше 5 ампер для сопротивления затвора 1 кОм было ограничено областью безопасной работы переключения, хотя IGT D94FQ/FR4 был способен проводить 40 ампер тока коллектора. Смит также заявил, что область безопасной работы переключения была ограничена защелкиванием паразитного тиристора.

Полное подавление паразитного действия тиристора и результирующая работа IGBT без защелкивания для всего рабочего диапазона устройства были достигнуты А. Накагавой и др. в 1984 году. [19] Концепция конструкции без защелкивания была подана на патенты США. [33] Для проверки отсутствия защелкивания прототипы IGBT на 1200 В были напрямую подключены без какой-либо нагрузки к источнику постоянного напряжения 600 В и включены на 25 микросекунд. Все 600 В были сброшены на устройство, и протекал большой ток короткого замыкания. Устройства успешно выдержали это суровое условие. Это была первая демонстрация так называемой «способности выдерживать короткое замыкание» в IGBT. Работа IGBT без защелкивания была обеспечена впервые для всего рабочего диапазона устройства. [22] В этом смысле не-защелкивающийся IGBT, предложенный Гансом В. Беке и Карлом Ф. Уитли, был реализован А. Накагавой и др. в 1984 году. Изделия не-защелкивающихся IGBT были впервые коммерциализированы компанией Toshiba в 1985 году. Это было настоящее рождение современных IGBT.

После того, как в IGBT была достигнута способность не защелкиваться, было обнаружено, что IGBT демонстрируют очень прочную и очень большую область безопасной работы . Было показано, что произведение рабочей плотности тока и напряжения коллектора превышает теоретический предел биполярных транзисторов, 2 × 105  Вт/см 2 и достигла 5 × 105  Вт/см 2 . [21] [22]

Изоляционный материал обычно изготавливается из твердых полимеров, которые имеют проблемы с деградацией. Существуют разработки, которые используют ионный гель для улучшения производства и снижения требуемого напряжения. [34]

Первое поколение IGBT 1980-х и начала 1990-х годов было склонно 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 сжигает устройство при высоких токах). Устройства второго поколения были значительно улучшены. Текущие IGBT третьего поколения еще лучше, со скоростью, соперничающей с мощными MOSFET , и превосходной прочностью и устойчивостью к перегрузкам. [21] Чрезвычайно высокие импульсные номиналы устройств второго и третьего поколений также делают их полезными для генерации больших импульсов мощности в таких областях, как физика частиц и плазмы , где они начинают вытеснять старые устройства, такие как тиратроны и управляемые искровые разрядники . Высокие импульсные номиналы и низкие цены на рынке излишков также делают их привлекательными для любителей высокого напряжения для управления большими объемами мощности для управления такими устройствами, как твердотельные катушки Тесла и койлганы .


Приложения

По состоянию на 2010 год IGBT является вторым по распространенности силовым транзистором после силового MOSFET. На долю IGBT приходится 27% рынка силовых транзисторов, уступая только силовому MOSFET (53%) и опережая усилитель ВЧ (11%) и биполярный транзистор (9%). [35] IGBT широко используется в бытовой электронике , промышленных технологиях , энергетическом секторе , аэрокосмических электронных устройствах и транспорте .

Преимущества

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором силовых МОП-транзисторов с возможностью работы при высоком токе и низком напряжении насыщения биполярных транзисторов . IGBT сочетает в себе полевой транзистор с изолированным затвором для управляющего входа и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве. IGBT используется в приложениях средней и высокой мощности, таких как импульсные источники питания , управление тяговыми двигателями и индукционный нагрев . Большие модули IGBT обычно состоят из множества устройств, соединенных параллельно, и могут иметь очень высокие возможности обработки тока порядка сотен ампер с блокирующим напряжением 6500 В. Эти IGBT могут управлять нагрузками в сотни киловатт .

Сравнение с силовыми МОП-транзисторами

IGBT имеет значительно меньшее падение прямого напряжения по сравнению с обычным MOSFET в устройствах с более высоким номинальным напряжением блокировки, хотя MOSFETS демонстрируют гораздо меньшее 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 по сравнению с возможностью блокировки напряжения устройства. За счет инжекции неосновных носителей (дырок) из области коллектора p+ в область n-дрейфа во время прямой проводимости сопротивление области n-дрейфа значительно уменьшается. Однако это результирующее снижение прямого напряжения в открытом состоянии имеет несколько недостатков:

В целом, высокое напряжение, высокий ток и низкие частоты подходят для IGBT, в то время как низкое напряжение, средний ток и высокие частоты переключения являются сферой применения MOSFET.

Моделирование

Схемы с IGBT могут быть разработаны и смоделированы с помощью различных компьютерных программ моделирования схем , таких как SPICE , Saber и других программ. Для моделирования схемы IGBT устройство (и другие устройства в схеме) должны иметь модель, которая предсказывает или имитирует реакцию устройства на различные напряжения и токи на их электрических выводах. Для более точного моделирования влияние температуры на различные части IGBT может быть включено в моделирование. Доступны два распространенных метода моделирования: модель на основе физики устройства , эквивалентные схемы или макромодели. SPICE моделирует IGBT с помощью макромодели, которая объединяет ансамбль компонентов, таких как полевые транзисторы и биполярные транзисторы в конфигурации Дарлингтона . [ требуется ссылка ] Альтернативной моделью на основе физики 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 Saber . [36]

Механизмы отказа IGBT

Механизмы отказа IGBT включают в себя отдельно перенапряжение (O) и износ (wo).

К отказам из-за износа в основном относятся нестабильность температуры смещения (BTI), инжекция горячих носителей (HCI), зависящий от времени пробой диэлектрика (TDDB), электромиграция (ECM), усталость припоя, реконструкция материала, коррозия. К отказам из-за перенапряжения в основном относятся электростатический разряд (ESD), защелкивание, лавина, вторичный пробой, отрыв и выгорание проволочного соединения. [37]

Модули IGBT

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab https://www.onsemi.com/pub/Col Lateral /HBD871-D.PDF [ пустой URL-адрес в формате PDF ]
  2. ^ ab Gc, Mahato; Niranjan; Abu, Waquar Aarif (2018-04-24). "Анализ разработок IGBT". Международный журнал инженерных исследований и технологий . 4 (2). doi :10.17577/IJERTCONV4IS02018 (неактивен 1 ноября 2024 г.). ISSN  2278-0181.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  3. ^ ab "биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) | JEDEC". www.jedec.org . Получено 2024-08-20 .
  4. ^ ab "Структура IGBT | О IGBT | TechWeb". techweb.rohm.com . Получено 20 августа 2024 г. .
  5. ^ ab Shao, Lingfeng; Hu, Yi; Xu, Guoqing (2020). «Метод высокоточного определения температуры перехода IGBT в режиме реального времени на основе алгоритма пошаговой регрессии». IEEE Access . 8 : 186172–186180. Bibcode : 2020IEEEA...8r6172S. doi : 10.1109/ACCESS.2020.3028904 . ISSN  2169-3536.
  6. ^ Учебники по основам электроники.
  7. ^ Разница между IGBT и тиристором.
  8. ^ ab Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  9. ^ "1947: Изобретение точечного транзистора". Computer History Museum . Получено 10 августа 2016 г. .
  10. ^ "1948: Conception of the Junction Transistor". Computer History Museum . Получено 10 августа 2016 г.
  11. ^ KAHNG, D. (1961). «Устройство на основе поверхности кремния-диоксида кремния». Технический меморандум Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  12. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  13. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  14. ^ Маджумдар, Гураб; Таката, Икунори (2018). Силовые устройства для эффективного преобразования энергии. CRC Press . С. 144, 284, 318. ISBN 9781351262316.
  15. ^ Scharf, B.; Plummer, J. (1978). "Управляемый МОП-триак". Международная конференция IEEE по твердотельным схемам 1978 года. Сборник технических статей . стр. 222–223. doi :10.1109/ISSCC.1978.1155837. S2CID  11665546.
  16. ^ USRE33209E, Пламмер, Джеймс Д., «Монолитное полупроводниковое коммутационное устройство», выпущено 1990-05-01 
  17. ↑ Патент США № 4,364,073, «Мощный МОП-транзистор с анодной областью», выданный 14 декабря 1982 года Гансу В. Беке и Карлу Ф. Уитли.
  18. ^ "C. Frank Wheatley, Jr., BSEE". Зал славы инноваций в Школе инженерии им. А. Джеймса Кларка .
  19. ^ ab Nakagawa, A.; Ohashi, H.; Kurata, M.; Yamaguchi, H.; Watanabe, K. (1984). "Биполярный МОП-транзистор без защелкивания 1200 В 75 А с большим ASO". 1984 International Electron Devices Meeting . pp. 860–861. doi :10.1109/IEDM.1984.190866. S2CID  12136665.
  20. ^ A. Nakagawa, H. Ohashi, Y. Yamaguchi, K. Watanabe и T. Thukakoshi, «МОП-транзистор с модулированной проводимостью», патент США № 6025622 (15 февраля 2000 г.), № 5086323 (4 февраля 1992 г.) и № 4672407 (9 июня 1987 г.).
  21. ^ abc Накагава, А.; Ямагучи, И.; Ватанабэ, К.; Охаши, Х. (1987). «Безопасная рабочая область для 1200-В незащелкивающихся биполярных МОП-транзисторов». Труды IEEE по электронным приборам . 34 (2): 351–355. Bibcode : 1987ITED...34..351N. doi : 10.1109/T-ED.1987.22929. S2CID  25472355.
  22. ^ abc Накагава, А.; Ямагучи, И.; Ватанабе, К.; Охаши, Х.; Курата, М. (1985). «Экспериментальное и численное исследование характеристик не-защелкивающегося биполярного МОП-транзистора». 1985 Международная встреча по электронным приборам . С. 150–153. doi :10.1109/IEDM.1985.190916. S2CID  24346402.
  23. ^ ab Baliga, BJ; Adler, MS; Gray, PV; Love, RP; Zommer, N. (1982). «Выпрямитель с изолированным затвором (IGR): новое устройство переключения мощности». 1982 International Electron Devices Meeting . pp. 264–267. doi :10.1109/IEDM.1982.190269. S2CID  40672805.
  24. ^ Шенай, К. (2015). «Изобретение и демонстрация IGBT [Взгляд назад]». Журнал IEEE Power Electronics . 2 (2): 12–16. doi :10.1109/MPEL.2015.2421751. ISSN  2329-9207. S2CID  37855728.
  25. ^ Балига, Б. Джайант (2015). Устройство IGBT: физика, конструкция и применение биполярного транзистора с изолированным затвором. Уильям Эндрю . стр. xxviii, 5–12. ISBN 9781455731534.
  26. ^ "NIHF Inductee Bantval Jayant Baliga Invented IGBT Technology". Национальный зал славы изобретателей . Получено 17 августа 2019 г.
  27. ^ Рассел, Дж. П.; Гудман, А. М.; Гудман, Л. А.; Нильсон, Дж. М. (1983). «COMFET — новый высокопроводящий МОП-затворный прибор». IEEE Electron Device Letters . 4 (3): 63–65. Bibcode : 1983IEDL....4...63R. doi : 10.1109/EDL.1983.25649. S2CID  37850113.
  28. ^ Балига, Б. Дж. (1983). «Быстропереключающиеся транзисторы с изолированным затвором». IEEE Electron Device Letters . 4 (12): 452–454. Bibcode : 1983IEDL....4..452B. doi : 10.1109/EDL.1983.25799. S2CID  40454892.
  29. ^ Гудман, AM; Рассел, JP; Гудман, LA; Нуезе, CJ; Нилсон, JM (1983). «Улучшенные COMFET с высокой скоростью переключения и возможностью работы при больших токах». Международная конференция по электронным приборам 1983 г. С. 79–82. doi :10.1109/IEDM.1983.190445. S2CID  2210870.
  30. ^ Балига, Б. Джайант (1985). «Температурное поведение характеристик транзистора с изолированным затвором». Твердотельная электроника . 28 (3): 289–297. Bibcode : 1985SSEle..28..289B. doi : 10.1016/0038-1101(85)90009-7.
  31. ↑ Премия «Продукт года»: «Транзистор с изолированным затвором», General Electric Company, «Электронная продукция», 1983 г.
  32. ^ Марвин В. Смит, «ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОТОМ», PCI, апрель 1984 г., стр. 121–131, 1984.
  33. ^ A. Nakagawa, H. Ohashi, Y. Yamaguchi, K. Watanabe и T. Thukakoshi, «МОП-транзистор с модуляцией проводимости», патент США № 6025622 (15 февраля 2000 г.), № 5086323 (4 февраля 1992 г.) и № 4672407 (9 июня 1987 г.).
  34. ^ "Ионный гель как изолятор затвора в полевых транзисторах". Архивировано из оригинала 2011-11-14.
  35. ^ "Рынок силовых транзисторов превысит 13,0 млрд долларов в 2011 году". IC Insights . 21 июня 2011 г. Получено 15 октября 2019 г.
  36. ^ Хефнер, AR; Диболт, DM (сентябрь 1994 г.). «Экспериментально проверенная модель IGBT, реализованная в симуляторе схемы Saber». IEEE Transactions on Power Electronics . 9 (5): 532–542. Bibcode : 1994ITPE....9..532H. doi : 10.1109/63.321038. S2CID  53487037.
  37. ^ Патил, Н.; Селая, Дж.; Дас, Д.; Гёбель, К.; Пехт, М. (июнь 2009 г.). «Идентификация параметров предшественников для прогнозирования биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT)». Труды IEEE по надежности . 58 (2): 271–276. doi :10.1109/TR.2009.2020134. S2CID  206772637.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме IGBT .