보기 : 0 저자 : 사이트 편집기 게시 시간 : 2025-04-09 원산지 : 대지
Power Electronics 분야에서, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT)는 지난 수십 년 동안 가장 영향력있는 구성 요소 중 하나입니다. 고전압 기능과 쉬운 게이트 제어 사이의 격차를 해소 한 IGBT는 엔지니어가 전력 변환 및 제어를위한 시스템을 설계하고 구축하는 방법에 혁명을 일으켰습니다. 산업용 드라이브에서 전기 자동차, 태양열 인버터, 총알 열차, IGBT 의 존재는 어디에나 있습니다. 그러나 모든 반도체 기술과 마찬가지로 IGBT는 세대를 통해 진화하여 성능, 속도, 효율성 및 열 관리가 개선되었습니다.
이 기사는 초기 단계에서 오늘날 이용 가능한 최첨단 고속 모듈에 이르기까지 IGBT 기술의 여정을 탐구합니다. 우리는 그 진보를 이해함으로써 오늘날의 전력 시스템과 미래를 이끄는 혁신에서 그 역할을 더 잘 이해할 수 있습니다.
진화에 뛰어 들기 전에 IGBT가 무엇인지 간단히 이해하는 것이 중요합니다. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 두 가지 유형의 트랜지스터의 최상의 속성을 결합한 반도체 장치입니다. 금속 산화물-비도체 전계 전환기 트랜지스터 (MOSFET)의 고속 스위칭 및 양극성 교통 수단 (BJT)의 고전류 및 고전압 처리 용량.
이 하이브리드 디자인은 허용합니다 전압 신호를 사용하여 IGBT를 쉽게 켜고 끄는 동시에 고출력 애플리케이션에 필요한 견고성 및 낮은 전도 손실을 제공합니다. 이러한 이중 특성으로 인해 IGBT는 모터 드라이브, 전기 자동차 (EVS), 풍력 터빈 및 무질 결합 전원 공급 장치 (UPS)와 같은 효율적인 전력 제어가 필요한 시스템에서 널리 사용됩니다.
최초의 상업용 IGBT는 1980 년대 초에 나타났습니다. 당시 Power Electronics Engineers는 BJT보다 더 나은 성능을 발휘할 수있는 장치를 찾고있었습니다. MOSFET . 높은 전압에서 전도 손실이 높은 1 세대 IGBT는 본질적으로 BJT 및 MOSFET의 기존 제조 공정을 사용하여 제작되었으며, 전압 차단 기능이 높은 장치 (600V – 1200V)가 비교적 느린 스위치 속도를 갖습니다.
1 세대 IGBTS의 가장 큰 문제 중 하나는 '래치 업 '효과였습니다. IGBT가 파괴적인 단락 상태에 들어가서 실패 할 수있는 조건입니다. 이 문제는 중요 시스템에서의 초기 채택을 제한했으며 엔지니어는 장치를 보호하기 위해 외부 회로를 포함해야했습니다. 또한 전력 MOSFET에 비해 스위칭 속도가 훨씬 느려서 고주파 응용 분야에 IGBT가 부적합하게 만들었습니다.
이러한 단점에도 불구하고, Easy Gate Drive 및 고전압 처리의 이점은 산업용 모터 드라이브와 같은 저주파 고급 고급 응용 분야에서 IGBT의 위치를 보장하기에 충분했습니다.
1990 년대 초까지 2 세대 IGBTS가 시장에 진출했습니다. 이 장치는 래치 업 보호를 포함하여 이전 모델에서 발견 된 많은 우려를 다루었습니다. 제조업체는 원치 않는 기생 효과를 줄이고 안전한 운영 영역을 개선하기 위해 IGBT의 내부 층의 설계를 개선했습니다.
이 세대에서 IGBT의 구조는 펀치 스루 (PT)에서 펀치 스루 (NPT) 디자인으로 전환되기 시작했습니다. NPT IGBT는 더 나은 단락 기능, 개선 된 열 안정성 및 더 간단한 프로세스를 사용하여 더 쉬운 제조를 제공했습니다. 또한 온도 변화에 더 견딜 수있게되어 가혹한 환경에서 더 신뢰할 수 있습니다.
또 다른 중대한 개선은 스위치 끄는 동안 감소 된 꼬리 전류의 형태였습니다. 1 세대에서, 과량의 캐리어의 재조합은 긴 꼬리 전류를 일으켜 스위칭 손실과 효율을 감소시킨다. 더 나은 평생 제어 기술을 통해 2 세대 IGBT는 이러한 손실을 줄이고 이전보다 더 빠른 스위칭을 허용했습니다.
결과적으로, 2 세대 IGBT는 엘리베이터 및 HVAC 시스템에서 모터 제어 시스템, 전원 공급 장치 및 에너지 절약 시스템에 더 광범위한 사용을 발견했습니다.
3 세대 IGBT는 1990 년대 후반과 2000 년대 초에 개발 되었으며이 기술의 진화의 주요 전환점이되었습니다. 이 장치는 더 빠른 스위칭과 더 높은 효율에 최적화되어 중간 정도의 스위칭 주파수가 필요한 것들을 포함하여 더 넓은 범위의 응용 분야에 적합합니다.
가장 주목할만한 발전 중 하나는 FS (Field Stop) 기술 사용이었습니다. 이 기술은 컬렉터 근처에 여분의 레이어를 추가하여 턴 오프 동안 과도한 캐리어를 흡수하여 전류 차단 능력을 손상시키지 않고 꼬리 전류를 줄이고 스위칭 속도를 높이는 것이 포함됩니다.
Field Stop IGBT는 두 세계의 최고를 제공했습니다. 고전압과 전류를 처리 할 수 있었으며 스위칭 손실이 크게 낮아졌습니다. 이로 인해 에너지 효율과 응답 성이 핵심 인 태양 광 인버터, 트랙션 시스템 및 용접기와 같은 응용 프로그램에 이상적이었습니다.
또한 포장 기술이 향상되었습니다. 제조업체는 IGBT 모듈 내에 다이오드와 보호 회로를 통합하여보다 작고 강력하게 만들기 시작했습니다. 이는 특히 자동차 및 재생 가능 에너지 응용 분야에서 총 시스템 비용과 신뢰성 향상을 줄이는 데 도움이되었습니다.
전력 밀도 수요가 증가함에 따라 4 세대 IGBT는 단위 영역 당 전류 처리를 증가시키는 데 중점을 두면서 동시에 전력 손실을 줄이고 열 성능을 향상 시켰습니다. 이를 위해서는 반도체 재료의 개선뿐만 아니라 장치 구조의 혁신도 필요했습니다.
트렌치 게이트 IGBT는 평면 게이트 설계를 대체하기 시작했습니다. 이 트렌치 구조는 장치 내부의 전기장을 더 잘 제어하고 전도 손실을 감소시킬 수있게 해주었다. 또한, Emitter 및 Collector Doping Profiles의 발전은 전도와 스위칭 손실 사이의 상충 관계를 미세 조정하여 디자이너가 장치를 애플리케이션 요구와 일치시키는 유연성을 제공했습니다.
또한 포장 및 모듈 통합이 크게 도약했습니다. 멀티 칩 모듈, 통합 게이트 드라이버 및 직접 액체 냉각 기술은 더 작은 발자국에서 훨씬 높은 전력 밀도를 허용했습니다. 이러한 기능으로 4 세대 IGBT는 전기 열차, 하이브리드 차량 및 스마트 그리드 및 전력 전송 시스템과 같은 에너지 인프라 프로젝트를위한 최고의 선택으로 만들었습니다.
오늘날의 IGBT 모듈은 그 어느 때보 다 빠르고 효율적이며 견고합니다. 일부 하이브리드 디자인에서 고급 웨이퍼가 얇아지고 초 고료 트렌치 게이트 구조 및 SIC (Silicon Carbide) 공동 포장 덕분에 최소한의 손실로 탁월한 스위칭 속도를 달성 할 수 있습니다.
최신 고속 IGBT 모듈의 몇 가지 주요 기능에는 다음이 포함됩니다.
매우 낮은 스위칭 손실 : 고급 필드 정지 및 트렌치 게이트 설계를 사용하면 스위칭 손실이 최소화되어 한때 전적으로 MOSFET 도메인 인 응용 분야에 적합합니다.
높은 열전도율 : 기판 및 직접 카퍼 본딩 (DCB)에 질화증 알루미늄과 같은 재료를 사용하여 현대 모듈은 열을 훨씬 더 효과적으로 관리하여 수명을 연장하고 신뢰성을 향상시킵니다.
확장 성 : 모듈 식 아키텍처를 통해 디자이너는 풍력 터빈 및 전기 기관차와 같은 메가 와트 규모의 응용 프로그램을 위해 여러 IGBT 모듈을 쌓거나 병행 할 수 있습니다.
지능형 통합 : 최신 모듈에는 온도, 전류 및 전압을위한 내장 센서가 제공되어 스마트 진단, 예측 유지 보수 및 실시간 제어가 가능합니다.
EV, 고속 열차 및 고용량 산업 인버터 용 빠른 DC 충전소와 같은 응용 프로그램은 이제 이러한 고급 IGBT 모듈에 크게 의존합니다.
실리콘 카바이드 (SIC) 및 질화 갈륨 (GAN)과 같은 넓은 밴드 갭 반도체가 특정 도메인에서 IGBT와 경쟁하기 시작했지만 IGBT는 여전히 비용, 성숙도 및 견고성 측면에서 강력한 이점을 가지고 있습니다. 향후 개발에는 IGBT와 SIC 다이오드를 결합하거나 첨가제 반도체 인쇄와 같은 새로운 제조 기술을 사용하는 하이브리드 모듈이 포함될 것입니다.
또한 IGBT 제어 시스템은 최적의 효율성과 수명을 위해 스위칭 패턴을 적응 적으로 조정할 수있는 AI-ENHAND 모니터링 시스템을 통해 점점 더 디지털화되고 소프트웨어 정의 될 것입니다.
전 세계적으로 전기화가 계속됨에 따라, 특히 자동차 및 재생 가능 부문에서 IGBT는 중간 및 고전압 전력 변환 시스템의 핵심 빌딩 블록으로 남아있을 것입니다.
Jiangsu Donghai Semiconductor Co., Ltd.는 IGBT 기술의 발전에 적극적으로 기여하는 회사들 사이에서 전력 반도체 공간에서 전용 제조업체이자 혁신가로 두드러집니다. 고성능 IGBT 칩 및 모듈 개발에 중점을 둔이 회사는 전기 운송에서 스마트 에너지 및 산업 자동화에 이르기까지 산업 지원에 중요한 역할을합니다.
Jiangsu Donghai Semiconductor는 깊은 재료 전문 지식과 고급 제조 공정을 결합하여 신뢰할 수 있고 효율적이며 고속 IGBT 솔루션을 생산합니다. 소형, 내구성 및 고효율 전력 모듈에 대한 수요가 증가함에 따라 Jiangsu Donghai와 같은 회사는 차세대 IGBT 기술을 제공하여보다 지속 가능하고 전기적 인 미래를 강화하는 데 필수적입니다.
