تکامل فناوری IGBT: از نسل اول تا ماژول های پر سرعت مدرن

در زمینه الکترونیک قدرت ، ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق (IGBT) به عنوان یکی از مؤلفه های تأثیرگذار چند دهه گذشته قرار دارد. IGBT ها با ایجاد شکاف بین قابلیت های ولتاژ بالا و کنترل آسان دروازه ، انقلابی در نحوه طراحی و ساخت سیستم ها برای تبدیل و کنترل برق ایجاد کرده است. از درایوهای صنعتی گرفته تا وسایل نقلیه برقی ، اینورترهای خورشیدی گرفته تا قطارهای گلوله ، IGBT در همه جا است. حضور اما مانند همه فن آوری های نیمه هادی ، IGBT ها به طور کامل شکل نگرفتند - آنها از طریق نسل ها تکامل یافتند و هر یک پیشرفت در عملکرد ، سرعت ، کارآیی و مدیریت حرارتی به وجود آورد.

در این مقاله به بررسی سفر فناوری IGBT از مراحل اولیه خود به ماژول های پر سرعت پیشرفته در دسترس امروز می پردازیم. با درک پیشرفت آن ، ما می توانیم از نقش آن در سیستم های قدرت امروز و نوآوری در آینده خود قدردانی کنیم.

IGBT چیست؟

قبل از غواصی به تکامل آن ، مهم است که به طور خلاصه بفهمید که یک IGBT چیست. یک ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق یک وسیله نیمه هادی است که بهترین ویژگی های دو نوع ترانزیستور را ترکیب می کند: تعویض با سرعت بالا از ترانزیستور-اثر فلزی-اکسید-نیمه هادی (MOSFET) و ظرفیت دست زدن به جریان بالا و ولتاژ بالا و ولتاژ بالا از ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT).

این طرح ترکیبی اجازه می دهد IGBT ها با سهولت استفاده از سیگنال های ولتاژ در حالی که استحکام و ضررهای کم هدایت مورد نیاز در برنامه های با قدرت بالا را روشن و خاموش می کنند. به دلیل این ماهیت دوگانه ، IGBT ها به طور گسترده ای در سیستم هایی که نیاز به کنترل انرژی کارآمد دارند ، مانند درایوهای موتور ، وسایل نقلیه برقی (EV) ، توربین های بادی و منبع تغذیه غیرقابل وقفه (UPS) استفاده می شود.

نسل اول: پایه گذاری کردن

اولین IGBT های تجاری در اوایل دهه 1980 ظاهر شد. در آن زمان ، مهندسان الکترونیک برق به دنبال دستگاهی بودند که بتواند بهتر از BJT ها عمل کند ، که کنترل آن دشوار بود و قدرت MOSFET ها ، که در ولتاژهای بالا ضرر هدایت بالایی داشتند. IGBT های نسل اول اساساً با استفاده از فرآیندهای ساخت موجود از BJTS و MOSFET ها ساخته شدند و در نتیجه دستگاه هایی با قابلیت مسدود کننده ولتاژ بالا (600 ولت -1200 ولت) اما سرعت سوئیچینگ نسبتاً کند.

یکی از بزرگترین مسائل مربوط به IGBT های نسل اول ، اثر 'Latch-Up ' بود-شرایطی که IGBT می تواند وارد یک وضعیت کوتاه مخرب و شکست بخورد. این مشکل پذیرش زودهنگام در سیستم های بحرانی محدود بود و مهندسان برای محافظت از دستگاه مجبور بودند مدار خارجی را شامل شوند. علاوه بر این ، سرعت سوئیچینگ در مقایسه با MOSFET های قدرت بسیار کندتر بود ، که IGBT ها را برای برنامه های با فرکانس بالا نامناسب می کرد.

با وجود این اشکالات ، مزایای درایو آسان دروازه و کنترل ولتاژ بالا برای اطمینان از جایگاه IGBT در برنامه های با قدرت کم با فرکانس پایین مانند درایوهای موتور صنعتی کافی بود.

نسل دوم: ناهمواری و قابلیت اطمینان بهبود یافته

در اوایل دهه 1990 ، IGBT های نسل دوم وارد بازار شدند. این دستگاه ها به بسیاری از نگرانی های موجود در پیشینیان خود ، از جمله محافظت از قفل پرداختند. تولید کنندگان طراحی لایه های داخلی IGBT را برای کاهش اثرات انگل ناخواسته و بهبود مناطق عملیاتی ایمن بهبود بخشیدند.

در این نسل ، ساختار IGBT شروع به تغییر از پانچ (PT) به طرح های غیر پانچ (NPT) کرد. NPT IGBTS توانایی اتصال کوتاه بهتر ، بهبود ثبات حرارتی و ساخت آسان تر با استفاده از فرآیندهای ساده تر را ارائه می دهد. آنها همچنین نسبت به تغییرات دما تحمل بیشتری پیدا کردند و آنها را در محیط های سخت قابل اطمینان تر کردند.

پیشرفت قابل توجه دیگر در قالب کاهش جریان دم در هنگام خاموش کردن بود. در نسل اول ، نوترکیبی حامل های اضافی باعث جریانهای دم طولانی شده و منجر به تعویض تلفات و کاهش کارایی می شود. با استفاده از تکنیک های کنترل بهتر طول عمر ، IGBT های نسل دوم این تلفات را کاهش داده و امکان تغییر سریعتر از گذشته را فراهم می کنند.

در نتیجه ، IGBT های نسل دوم استفاده گسترده تری در سیستم های کنترل حرکتی ، منبع تغذیه و سیستم های صرفه جویی در مصرف انرژی در آسانسورها و سیستم های HVAC پیدا کردند.

نسل سوم: بهینه سازی برای سرعت و کارآیی

IGBT های نسل سوم در اواخر دهه 1990 و اوایل دهه 2000 توسعه یافت و نقطه عطف اصلی در تکامل فناوری را نشان داد. این دستگاه ها برای سوئیچینگ سریعتر و راندمان بالاتر بهینه سازی شدند و آنها را برای طیف وسیع تری از برنامه ها - از جمله مواردی که نیاز به فرکانس سوئیچینگ متوسط ​​دارند ، مناسب می کند.

یکی از برجسته ترین پیشرفت ها استفاده از فناوری Stop Stop (FS) بود. این تکنیک شامل اضافه کردن یک لایه اضافی در نزدیکی جمع کننده برای جذب حامل های اضافی در هنگام خاموش کردن ، که باعث کاهش جریان دم می شود و سرعت سوئیچینگ را بدون به خطر انداختن توانایی مسدود کردن ولتاژ سرعت می بخشد.

IGBTS Stop Field بهترین های هر دو جهان را ارائه می دهد: آنها می توانند ولتاژ و جریان بالایی را تحمل کنند و همچنین با ضررهای سوئیچینگ قابل توجهی پایین تر عمل می کردند. این امر آنها را برای برنامه هایی مانند اینورترهای خورشیدی ، سیستم های کشش و جوشکار ایده آل می کند - جایی که راندمان انرژی و پاسخگویی مهم است.

علاوه بر این ، فناوری بسته بندی بهبود یافته است. تولید کنندگان شروع به ادغام دیودها و مدارهای محافظ در ماژول های IGBT کردند تا آنها را جمع و جور تر و قوی تر کنند. این امر به کاهش کل هزینه سیستم و بهبود قابلیت اطمینان ، به ویژه در کاربردهای انرژی خودرو و تجدید پذیر کمک می کند.

نسل چهارم: ماژول های جمع و جور و عملکرد حرارتی بهتر

با افزایش نیاز به چگالی قدرت ، نسل چهارم IGBT ها بر افزایش جابجایی فعلی در واحد منطقه متمرکز شده اند و همزمان باعث کاهش از دست دادن برق و بهبود عملکرد حرارتی می شوند. این امر نه تنها به پیشرفت در مواد نیمه هادی بلکه نوآوری در ساختار دستگاه نیز نیاز داشت.

IGBT های دروازه سنگر تعویض طرح های گیت مسطح را آغاز کردند. این سازه های سنگر امکان کنترل بهتر میدان الکتریکی در داخل دستگاه و کاهش تلفات هدایت را فراهم می کند. علاوه بر این ، پیشرفت در پروفایل های دوپینگ Emitter و Collector به تنظیم دقیق تجارت بین هدایت و تعویض ضرر کمک می کند و به طراحان انعطاف پذیری بیشتری می دهد تا دستگاه ها را با نیازهای برنامه مطابقت دهند.

علاوه بر این ، بسته بندی و ادغام ماژول جهش بزرگی را به خود اختصاص داد. ماژول های چند چیپ ، درایورهای دروازه یکپارچه و فن آوری های خنک کننده مایع مستقیم امکان تراکم انرژی بسیار بالاتر را در ردپاهای کوچکتر فراهم می کند. این ویژگی ها IGBTS نسل چهارم را به عنوان انتخاب برتر برای قطارهای برقی ، وسایل نقلیه هیبریدی و پروژه های زیرساختی انرژی مانند شبکه های هوشمند و سیستم های انتقال نیرو تبدیل کرده است.

ماژول های مدرن IGBT با سرعت بالا: وضعیت هنر

ماژول های IGBT امروز سریعتر ، کارآمدتر و ناهموار تر از گذشته هستند. به لطف نازک شدن ویفر پیشرفته ، ساختارهای دروازه ترانشه فوق العاده خوب و بسته بندی کاربید سیلیکون (SIC) در برخی از طرح های ترکیبی ، ماژول های مدرن IGBT می توانند با حداقل تلفات به سرعت سوئیچینگ استثنایی دست یابند.

برخی از ویژگی های اصلی جدیدترین ماژول های IGBT با سرعت بالا عبارتند از:

• تلفات سوئیچینگ فوق العاده کم:  با استفاده از طرح های پیشرفته Stop Stop و Trench Gate ، ضرر و زیان به حداقل رسیده است و باعث می شود آنها برای برنامه هایی که یک بار منحصراً دامنه MOSFET ها بودند ، مناسب باشد.

• هدایت حرارتی بالا:  با استفاده از موادی مانند نیترید آلومینیوم برای بسترها و پیوند مستقیم مس (DCB) ، ماژول های مدرن گرما را بسیار مؤثرتر می کنند ، طول عمر را گسترش می دهند و قابلیت اطمینان را بهبود می بخشند.

• مقیاس پذیری:  معماری های مدولار اکنون به طراحان این امکان را می دهد تا ماژول های IGBT چندگانه را برای برنامه های در مقیاس Megawatt مانند توربین های بادی و لوکوموتیوهای برقی جمع کنند.

• ادغام هوشمند:  ماژول های مدرن با سنسورهای داخلی برای دما ، جریان و ولتاژ همراه هستند و امکان تشخیص هوشمند ، نگهداری پیش بینی کننده و کنترل در زمان واقعی را فراهم می کنند.

برنامه هایی مانند ایستگاه های شارژ سریع DC برای EV ، قطارهای پر سرعت و اینورترهای صنعتی با ظرفیت بالا اکنون به این ماژول های پیشرفته IGBT اعتماد دارند.

آینده فناوری IGBT

در حالی که نیمه هادی های باند پهن مانند کاربید سیلیکون (SIC) و نیترید گالیم (GAN) در حوزه های خاص شروع به رقابت با IGBTS می کنند ، IGBT هنوز از نظر هزینه ، بلوغ و استحکام مزایای قوی دارد. تحولات آینده به احتمال زیاد شامل ماژول های ترکیبی است که IGBTS و دیودهای SIC را با هم ترکیب می کنند یا حتی از تکنیک های جدید تولید مانند چاپ نیمه هادی افزودنی استفاده می کنند.

علاوه بر این ، سیستم های کنترل IGBT به طور فزاینده ای دیجیتالی و تعریف شده با نرم افزار با سیستم های نظارتی پیشرفته AI که می توانند به طور تطبیقی ​​الگوهای سوئیچینگ را برای راندمان بهینه و طول عمر تنظیم کنند ، تعریف می شوند.

با ادامه فشار جهانی برای برق ، به ویژه در بخش های خودرو و تجدید پذیر ، IGBT ها یک بلوک اصلی ساخت و ساز در سیستم های تبدیل قدرت ولتاژ متوسط ​​و بالا خواهند بود.

یک بازیکن قابل اعتماد در IGBT Innovation: شرکت نیمه هادی Jiangsu Donghai ، Ltd.

در میان شرکت هایی که به طور فعال در پیشرفت فناوری IGBT مشارکت می کنند ، شرکت نیمه هادی Jiangsu Donghai ، Ltd. به عنوان یک تولید کننده اختصاصی و مبتکر در فضای نیمه هادی قدرت معرفی می شود. این شرکت با تمرکز بر توسعه تراشه ها و ماژول های IGBT با کارایی بالا ، نقش مهمی در حمایت از صنایع اعم از حمل و نقل الکتریکی گرفته تا انرژی هوشمند و اتوماسیون صنعتی دارد.

نیمه هادی Jiangsu Donghai تخصص مواد عمیق را با فرآیندهای تولید پیشرفته برای تولید راه حل های IGBT قابل اعتماد ، کارآمد و پر سرعت ترکیب می کند. با افزایش تقاضا برای ماژول های قدرت جمع و جور ، بادوام و با راندمان بالا ، شرکت هایی مانند Jiangsu Donghai در ارائه نسل بعدی فناوری IGBT برای تأمین قدرت آینده ای پایدار و برق تر ضروری هستند.