Эрчим хүчний электроникийн салбарт тусгаарлагдсан хаалганы хоёр туйлт транзистор (IGBT) нь сүүлийн хэдэн арван жилийн хамгийн нөлөө бүхий бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нэг юм. Өндөр хүчдэлийн чадавхи болон хаалганы хялбар удирдлагын хоорондох ялгааг арилгахын тулд IGBT нь инженерүүд эрчим хүч хувиргах, хянах системийг хэрхэн зохион бүтээх, бүтээхэд хувьсгал хийсэн. Үйлдвэрийн хөтөчөөс эхлээд цахилгаан машин, нарны инвертер, сум галт тэрэг, IGBT -ийн оршихуй хаа сайгүй байдаг. Гэхдээ бүх хагас дамжуулагч технологийн нэгэн адил IGBT-ууд бүрэн төлөвшөөгүй - тэд үе дамжин хөгжиж, гүйцэтгэл, хурд, үр ашиг, дулааны менежментийг сайжруулсан.
Энэхүү нийтлэл нь IGBT технологийн эхний үе шатнаас өнөөг хүртэл байгаа хамгийн сүүлийн үеийн өндөр хурдны модулиуд хүртэлх замыг судлах болно. Түүний ахиц дэвшлийг ойлгосноор бид өнөөгийн эрчим хүчний систем дэх түүний үүрэг, ирээдүйг удирдан чиглүүлж буй инновацийг илүү сайн үнэлж чадна.
IGBT гэж юу вэ?
Түүний хувьсал руу орохын өмнө IGBT гэж юу болохыг товч ойлгох нь чухал. Тусгаарлагдсан хаалганы хоёр туйлт транзистор нь хоёр төрлийн транзисторын хамгийн сайн шинж чанаруудыг хослуулсан хагас дамжуулагч төхөөрөмж юм: Метал-оксид-хагас дамжуулагч талбайн нөлөөллийн транзистор (MOSFET)-ийн өндөр хурдтай сэлгэн залгалт ба Биполяр уулзвар транзисторын (BJT) өндөр гүйдлийн болон өндөр хүчдэлийн ажиллах хүчин чадал.
Энэхүү эрлийз загвар нь үүнийг зөвшөөрдөг IGBT-ийг хүчдэлийн дохиог ашиглан хялбархан асааж, унтрааж, өндөр хүчин чадалтай хэрэглээнд шаардагдах бат бөх байдал, дамжуулалтын алдагдал багатай байх болно. Ийм хоёрдмол шинж чанартай тул IGBT-ийг мотор хөтөч, цахилгаан тээврийн хэрэгсэл (EV), салхин турбин, тасралтгүй тэжээлийн хангамж (UPS) гэх мэт эрчим хүчний үр ашигтай удирдлага шаарддаг системд өргөн ашигладаг.
Эхний үе: Суурь тавих
Анхны арилжааны IGBT нь 1980-аад оны эхээр гарч ирсэн. Тухайн үед эрчим хүчний электроникийн инженерүүд BJT-ээс илүү сайн ажиллах чадвартай, удирдахад хэцүү, цахилгаан MOSFET-ууд . Өндөр хүчдэлийн үед дамжуулалтын алдагдал ихтэй Эхний үеийн IGBT-ууд нь үндсэндээ BJT болон MOSFET-ийн одоо байгаа үйлдвэрлэлийн процессуудыг ашиглан бүтээгдсэн бөгөөд ингэснээр өндөр хүчдэлийг хаах чадвартай (600V–1200V) төхөөрөмжүүдийг бий болгосон боловч шилжих хурд харьцангуй удаан байдаг.
Эхний үеийн IGBT-ийн хамгийн том асуудлуудын нэг нь 'түгжих' эффект буюу IGBT нь богино залгааны хор хөнөөлтэй төлөвт орж, бүтэлгүйтэх нөхцөл юм. Энэ асуудал нь чухал системүүдэд эрт нэвтрүүлэхийг хязгаарлаж, инженерүүд төхөөрөмжийг хамгаалахын тулд гаднах хэлхээг оруулах шаардлагатай болсон. Нэмж дурдахад шилжих хурд нь хүчирхэг MOSFET-тэй харьцуулахад хамаагүй бага байсан бөгөөд энэ нь IGBT-ийг өндөр давтамжийн хэрэглээнд тохиромжгүй болгосон.
Эдгээр сул талуудыг үл харгалзан хялбар хаалганы хөтөч, өндөр хүчдэлийн зохицуулалтын давуу талууд нь IGBT-ийг үйлдвэрлэлийн мотор хөтөч гэх мэт бага давтамжийн өндөр чадлын хэрэглээнд байрлуулахад хангалттай байсан.
Хоёр дахь үе: Бат бөх, найдвартай байдал сайжирсан
1990-ээд оны эхээр хоёр дахь үеийн IGBT зах зээлд нэвтэрсэн. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь өмнөх үеийнх нь түгжээний хамгаалалт зэрэг олон асуудалд хандсан. Үйлдвэрлэгчид IGBT-ийн дотоод давхаргын дизайныг сайжруулж, паразитуудын хүсээгүй үр нөлөөг бууруулж, аюулгүй ажиллагааны бүсийг сайжруулсан.
Энэ үед IGBT-ийн бүтэц цоолборгүй (PT) загвараас цоолборгүй (NPT) загвар руу шилжиж эхэлсэн. NPT IGBT нь илүү сайн богино залгааны чадавхийг санал болгож, дулааны тогтвортой байдлыг сайжруулж, энгийн процессуудыг ашиглан үйлдвэрлэхэд хялбар болсон. Тэд мөн температурын өөрчлөлтөд илүү тэсвэртэй болж, хатуу ширүүн орчинд илүү найдвартай болсон.
Өөр нэг мэдэгдэхүйц сайжруулалт нь унтраах үед сүүлний гүйдэл багассан явдал байв. Эхний үед илүүдэл тээвэрлэгчдийн дахин нэгдэл нь урт сүүлний гүйдэл үүсгэж, шилжүүлгийн алдагдал, үр ашгийг бууруулахад хүргэсэн. Насан туршийн хяналтын илүү сайн арга техникээр хоёр дахь үеийн IGBT нь эдгээр алдагдлыг бууруулж, өмнөхөөсөө илүү хурдан шилжих боломжийг олгосон.
Үүний үр дүнд хоёр дахь үеийн IGBT нь моторын удирдлагын систем, цахилгаан хангамж, цахилгаан шат, HVAC систем дэх эрчим хүч хэмнэх системд илүү өргөн хэрэглэгддэг.
Гурав дахь үе: Хурд, үр ашгийг оновчтой болгох
Гурав дахь үеийн IGBT нь 1990-ээд оны сүүл, 2000-аад оны эхээр бүтээгдсэн бөгөөд технологийн хувьсал дахь гол эргэлтийн цэг болсон юм. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь илүү хурдан сэлгэн залгах, өндөр үр ашигтай байхаар оновчтой болсон тул тэдгээрийг илүү өргөн хүрээний хэрэглээнд, тэр дундаа дунд зэргийн сэлгэн залгах давтамж шаарддаг төхөөрөмжүүдэд тохиромжтой болгосон.
Хамгийн гайхалтай дэвшлүүдийн нэг бол Field Stop (FS) технологийг ашиглах явдал байв. Энэ техник нь унтрах үед илүүдэл зөөгчийг шингээхийн тулд коллекторын ойролцоо нэмэлт давхарга нэмж оруулдаг бөгөөд энэ нь сүүлний гүйдлийг бууруулж, хүчдэлийг хаах чадварыг алдагдуулахгүйгээр сэлгэн залгалтыг хурдасгадаг.
Field Stop IGBT нь хоёр ертөнцийн хамгийн шилдэгийг санал болгодог: тэд өндөр хүчдэл, гүйдлийг зохицуулж чаддаг, мөн сэлгэн залгах алдагдал нь мэдэгдэхүйц бага байв. Энэ нь тэдгээрийг нарны инвертер, зүтгүүрийн систем, гагнуурчин зэрэгт эрчим хүчний хэмнэлт, хариу үйлдэл үзүүлэх чадвар зэрэгт ашиглахад тохиромжтой болгосон.
Үүнээс гадна сав баглаа боодлын технологи сайжирсан. Үйлдвэрлэгчид диод болон хамгаалалтын хэлхээг IGBT модулиудад нэгтгэж, илүү авсаархан, бат бөх болгох ажлыг эхлүүлсэн. Энэ нь системийн нийт зардлыг бууруулж, ялангуяа автомашины болон сэргээгдэх эрчим хүчний хэрэглээний найдвартай байдлыг сайжруулахад тусалсан.
Дөрөв дэх үе: Компакт модулиуд ба илүү сайн дулааны гүйцэтгэл
Эрчим хүчний нягтрал нэмэгдэхийн хэрээр дөрөв дэх үеийн IGBT нь нэгж талбайд ногдох гүйдлийн зохицуулалтыг нэмэгдүүлэхийн зэрэгцээ эрчим хүчний алдагдлыг бууруулж, дулааны гүйцэтгэлийг сайжруулахад чиглэв. Энэ нь зөвхөн хагас дамжуулагч материалыг сайжруулахаас гадна төхөөрөмжийн бүтцэд шинэчлэл хийх шаардлагатай байв.
Шуудуу хаалганы IGBT нь хавтгай хаалганы загварыг сольж эхлэв. Эдгээр суваг байгууламжууд нь төхөөрөмжийн доторх цахилгаан талбайг илүү сайн хянах, дамжуулалтын алдагдлыг бууруулах боломжийг олгосон. Цаашилбал, ялгаруулагч болон коллекторын допингийн профайлын дэвшил нь дамжуулалт ба сэлгэн залгах алдагдлын хоорондох солилцоог нарийн тохируулахад тусалж, дизайнеруудад төхөөрөмжүүдийг хэрэглээний хэрэгцээнд нийцүүлэх илүү уян хатан боломжийг олгосон.
Нэмж дурдахад, сав баглаа боодол, модулийг нэгтгэх нь томоохон үсрэлт хийсэн. Олон чиптэй модулиуд, нэгдсэн хаалганы драйверууд, шингэн хөргөлтийн шууд технологи нь жижиг талбайд илүү өндөр эрчим хүчний нягтралыг бий болгосон. Эдгээр шинж чанарууд нь дөрөв дэх үеийн IGBT-ийг цахилгаан галт тэрэг, эрлийз тээврийн хэрэгсэл, ухаалаг сүлжээ, цахилгаан дамжуулах систем зэрэг эрчим хүчний дэд бүтцийн төслүүдэд хамгийн шилдэг сонголт болгосон.
Орчин үеийн өндөр хурдны IGBT модулиуд: Орчин үеийн байдал
Өнөөдрийн IGBT модулиуд нь урьд өмнөхөөсөө илүү хурдан, илүү үр ашигтай, илүү бат бөх болсон. Орчин үеийн IGBT модулиуд нь дэвшилтэт өрөм сийрэгжүүлэх, хэт нарийн суваг хаалганы бүтэц, зарим эрлийз загварт цахиурын карбидын (SiC) хавсарсан савлагааны ачаар хамгийн бага алдагдалтайгаар сэлгэн залгах онцгой хурдыг бий болгож чадна.
Хамгийн сүүлийн үеийн өндөр хурдны IGBT модулиудын зарим гол онцлогууд нь:
Хэт бага сэлгэн залгах алдагдал: Талбайн зогсоол болон суваг хаалганы дэвшилтэт дизайныг ашигласнаар сэлгэн залгах алдагдлыг багасгаж, тэдгээрийг зөвхөн MOSFET-ийн домэйн байсан хэрэглээнд тохиромжтой болгосон.
Өндөр дулаан дамжуулалт: Хөнгөн цагаан нитрид зэрэг материалыг субстрат болон шууд зэсийн холболт (DCB) ашиглан орчин үеийн модулиуд нь дулааныг илүү үр дүнтэй удирдаж, ашиглалтын хугацааг уртасгаж, найдвартай байдлыг сайжруулдаг.
Өргөтгөх боломж: Модульчлагдсан архитектур нь одоо дизайнеруудад салхин турбин, цахилгаан зүтгүүр зэрэг мегаваттын хэмжээний хэрэглээнд зориулж олон IGBT модулийг давхарлах эсвэл зэрэгцээ байрлуулах боломжийг олгодог.
Ухаалаг интеграци: Орчин үеийн модулиуд нь температур, гүйдэл, хүчдэлийн суурилуулсан мэдрэгчтэй бөгөөд ухаалаг оношлогоо, урьдчилан таамаглах засвар үйлчилгээ, бодит цагийн хяналтыг хийх боломжийг олгодог.
Цахилгаан машинд зориулсан хурдан гүйдлийн гүйдлийн цэнэглэгч станц, өндөр хурдны галт тэрэг, үйлдвэрлэлийн өндөр хүчин чадалтай инвертер зэрэг програмууд одоо эдгээр дэвшилтэт IGBT модулиудад ихээхэн найдаж байна.
IGBT технологийн ирээдүй
Цахиурын карбид (SiC) ба галлийн нитрид (GaN) зэрэг өргөн зурвасын хагас дамжуулагч нь тодорхой салбарт IGBT-тэй өрсөлдөж эхэлсэн ч IGBT нь өртөг, төлөвшил, бат бөх байдлын хувьд хүчтэй давуу талтай хэвээр байна. Ирээдүйн бүтээн байгуулалтууд нь IGBT болон SiC диодуудыг хослуулсан эрлийз модулиудыг багтаах эсвэл нэмэлт хагас дамжуулагч хэвлэх гэх мэт шинэ үйлдвэрлэлийн техникийг ашиглах магадлалтай.
Түүнчлэн, IGBT хяналтын системүүд улам бүр дижитал болж, программ хангамжаар тодорхойлогддог, хиймэл оюун ухаанаар сайжруулсан хяналтын системүүд нь оновчтой үр ашиг, ашиглалтын хугацааг хангахын тулд сэлгэн залгах загварыг тохируулан тохируулах боломжтой болно.
Дэлхий даяар, ялангуяа автомашины болон сэргээгдэх эрчим хүчний салбарт цахилгаанжуулалтын түлхэц үргэлжилсээр байгаа тул IGBT нь дунд болон өндөр хүчдэлийн цахилгаан хувиргах системийн үндсэн барилгын хэсэг хэвээр байх болно.
IGBT инновацийн итгэмжлэгдсэн тоглогч: Jiangsu Donghai Semiconductor Co., Ltd.
IGBT технологийн дэвшилд идэвхтэй хувь нэмэр оруулж буй компаниудын дунд Jiangsu Donghai Semiconductor Co., Ltd нь эрчим хүчний хагас дамжуулагчийн салбарт тууштай үйлдвэрлэгч, шинийг санаачлагч гэдгээрээ ялгардаг. Өндөр хүчин чадалтай IGBT чип, модулиудыг хөгжүүлэхэд анхаарч байгаа тус компани нь цахилгаан тээвэр, ухаалаг эрчим хүч, үйлдвэрлэлийн автоматжуулалт зэрэг салбаруудыг дэмжихэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
Jiangsu Donghai Semiconductor нь найдвартай, үр ашигтай, өндөр хурдны IGBT шийдлийг үйлдвэрлэхийн тулд материалын гүн гүнзгий мэдлэгийг дэвшилтэт үйлдвэрлэлийн процессуудтай хослуулсан. Авсаархан, удаан эдэлгээтэй, өндөр үр ашигтай цахилгаан модулиудын эрэлт хэрэгцээ өсөхийн хэрээр Jiangsu Donghai зэрэг компаниуд илүү тогтвортой, цахилгаанжсан ирээдүйг тэжээхийн тулд дараагийн үеийн IGBT технологийг нэвтрүүлэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
