วิวัฒนาการของเทคโนโลยี IGBT: จากรุ่นแรกไปจนถึงโมดูลความเร็วสูงที่ทันสมัย

ในด้านของพลังงานอิเล็กทรอนิกส์เกตสองขั้วสองขั้ว (IGBT) เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่มีอิทธิพลมากที่สุดในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา การลดช่องว่างระหว่างความสามารถแรงดันไฟฟ้าสูงและการควบคุมประตูง่าย IGBTs ได้ปฏิวัติวิธีที่วิศวกรออกแบบและสร้างระบบสำหรับการแปลงพลังงานและการควบคุม จากไดรฟ์อุตสาหกรรมไปจนถึงยานพาหนะไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ไปจนถึงรถไฟกระสุน IGBT มีอยู่ทุกที่ การปรากฏตัวของ แต่เช่นเดียวกับเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด IGBTS ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างเต็มที่ - พวกเขาพัฒนาผ่านหลายชั่วอายุคนแต่ละคนนำการปรับปรุงประสิทธิภาพความเร็วประสิทธิภาพและการจัดการความร้อน

บทความนี้สำรวจการเดินทางของเทคโนโลยี IGBT ตั้งแต่ระยะแรกไปจนถึงโมดูลความเร็วสูงที่ทันสมัยในปัจจุบัน ด้วยการทำความเข้าใจกับความก้าวหน้าของเราเราสามารถชื่นชมบทบาทของมันในระบบพลังงานในปัจจุบันและนวัตกรรมที่ผลักดันอนาคตของมัน

IGBT คืออะไร?

ก่อนที่จะดำน้ำในวิวัฒนาการของมันเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจสั้น ๆ ว่า IGBT คืออะไร ทรานซิสเตอร์สองขั้วเกทที่หุ้มฉนวนเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่รวมคุณลักษณะที่ดีที่สุดของสองประเภทของทรานซิสเตอร์: การสลับความเร็วสูงของทรานซิสเตอร์ฟิลด์-ออกไซด์-ออกไซด์-เอฟเฟ็กต์ (MOSFET)

การออกแบบไฮบริดนี้อนุญาต IGBT ที่จะเปิดและปิดได้อย่างง่ายดายโดยใช้สัญญาณแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ส่งมอบความทนทานและการสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำที่จำเป็นในการใช้งานที่ใช้พลังงานสูง เนื่องจากธรรมชาติคู่นี้ IGBTs จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบที่ต้องการการควบคุมพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพเช่นไดรฟ์มอเตอร์ยานพาหนะไฟฟ้า (EV) กังหันลมและแหล่งจ่ายไฟที่ไม่หยุดยั้ง (UPS)

รุ่นแรก: วางรากฐาน

IGBTs เชิงพาณิชย์แรกปรากฏขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ในเวลานั้นวิศวกร Power Electronics กำลังมองหาอุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้ดีกว่า BJT ซึ่งยากต่อการควบคุมและพลังงาน Mosfets ซึ่งมีการสูญเสียการนำไฟฟ้าสูงที่แรงดันไฟฟ้าสูง IGBT รุ่นแรกถูกสร้างขึ้นเป็นหลักโดยใช้กระบวนการผลิตที่มีอยู่จาก BJT และ MOSFETs ส่งผลให้อุปกรณ์ที่มีความสามารถในการปิดกั้นแรงดันไฟฟ้าสูง (600V-1200V) แต่ความเร็วในการสลับค่อนข้างช้า

หนึ่งในปัญหาที่ใหญ่ที่สุดของ IGBT รุ่นแรกคือเอฟเฟกต์ 'latch-up ' ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่ IGBT สามารถเข้าสู่สถานะการลัดวงจรทำลายล้างและล้มเหลว ปัญหานี้ จำกัด การยอมรับในช่วงต้นของระบบที่สำคัญและวิศวกรต้องรวมวงจรภายนอกเพื่อปกป้องอุปกรณ์ นอกจากนี้ความเร็วในการสลับนั้นช้ากว่ามากเมื่อเทียบกับ MOSFET พลังงานซึ่งทำให้ IGBTS ไม่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันความถี่สูง

แม้จะมีข้อเสียเหล่านี้ประโยชน์ของการขับประตูง่ายและการจัดการความดันสูงก็เพียงพอที่จะทำให้แน่ใจว่าสถานที่ของ IGBT ในแอพพลิเคชั่นพลังงานสูงความถี่ต่ำเช่นไดรฟ์มอเตอร์อุตสาหกรรม

รุ่นที่สอง: ปรับปรุงความทนทานและความน่าเชื่อถือ

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 IGBT รุ่นที่สองเข้าสู่ตลาด อุปกรณ์เหล่านี้ได้กล่าวถึงข้อกังวลมากมายที่พบในรุ่นก่อนรวมถึงการป้องกันการล็อค ผู้ผลิตปรับปรุงการออกแบบชั้นภายในของ IGBT เพื่อลดผลกระทบของกาฝากที่ไม่พึงประสงค์และปรับปรุงพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย

ในรุ่นนี้โครงสร้างของ IGBT เริ่มเปลี่ยนจากการออกแบบ Punch-through (PT) เป็นการออกแบบที่ไม่ใช่ Punch-through (NPT) NPT IGBTS เสนอความสามารถในการลัดวงจรที่ดีขึ้นความเสถียรทางความร้อนที่ดีขึ้นและการผลิตง่ายขึ้นโดยใช้กระบวนการที่ง่ายกว่า พวกเขายังทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมากขึ้นทำให้พวกเขาเชื่อถือได้มากขึ้นในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

การปรับปรุงที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือในรูปแบบของกระแสหางที่ลดลงในระหว่างการปิด ในรุ่นแรกการรวมตัวกันใหม่ของผู้ให้บริการส่วนเกินทำให้เกิดกระแสหางยาวนำไปสู่การสลับการสูญเสียและลดประสิทธิภาพ ด้วยเทคนิคการควบคุมอายุการใช้งานที่ดีขึ้น IGBTS รุ่นที่สองจะลดการสูญเสียเหล่านี้และอนุญาตให้สลับได้เร็วขึ้นกว่าเดิม

เป็นผลให้ IGBT รุ่นที่สองพบการใช้งานที่กว้างขึ้นในระบบควบคุมมอเตอร์แหล่งจ่ายไฟและระบบประหยัดพลังงานในลิฟต์และระบบ HVAC

รุ่นที่สาม: เพิ่มประสิทธิภาพสำหรับความเร็วและประสิทธิภาพ

IGBT รุ่นที่สามได้รับการพัฒนาในปลายปี 1990 และต้นปี 2000 และทำเครื่องหมายจุดเปลี่ยนสำคัญในวิวัฒนาการของเทคโนโลยี อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการสลับที่เร็วขึ้นและประสิทธิภาพที่สูงขึ้นทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่กว้างขึ้นรวมถึงอุปกรณ์ที่ต้องการความถี่ในการสลับปานกลาง

หนึ่งในความก้าวหน้าที่โดดเด่นที่สุดคือการใช้เทคโนโลยี Field Stop (FS) เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มเลเยอร์พิเศษใกล้กับตัวสะสมเพื่อดูดซับผู้ให้บริการส่วนเกินในระหว่างการเปิดปิดซึ่งจะช่วยลดกระแสหางและเพิ่มความเร็วในการสลับโดยไม่ลดความสามารถในการบล็อกแรงดันไฟฟ้า

Field Stop IGBTS เสนอสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลก: พวกเขาสามารถจัดการกับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูงและพวกเขายังดำเนินการด้วยการสูญเสียการสลับที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้ทำให้พวกเขาเหมาะสำหรับการใช้งานเช่นอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ระบบลากและช่างเชื่อม - ที่ซึ่งประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการตอบสนองเป็นกุญแจสำคัญ

นอกจากนี้เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ดีขึ้น ผู้ผลิตเริ่มรวมไดโอดและวงจรป้องกันภายในโมดูล IGBT เพื่อให้มีขนาดกะทัดรัดและแข็งแกร่งยิ่งขึ้น สิ่งนี้ช่วยลดต้นทุนระบบทั้งหมดและความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานด้านยานยนต์และพลังงานทดแทน

รุ่นที่สี่: โมดูลขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพความร้อนที่ดีขึ้น

เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น IGBT รุ่นที่สี่มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มการจัดการในปัจจุบันต่อพื้นที่หน่วยในขณะเดียวกันก็ลดการสูญเสียพลังงานและปรับปรุงประสิทธิภาพความร้อน สิ่งนี้ไม่เพียง แต่ต้องปรับปรุงในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงนวัตกรรมในโครงสร้างอุปกรณ์ด้วย

IGBT-Gate-Gate เริ่มเปลี่ยนการออกแบบประตูระนาบ โครงสร้างร่องลึกเหล่านี้อนุญาตให้ควบคุมสนามไฟฟ้าได้ดีขึ้นภายในอุปกรณ์และลดการสูญเสียการนำ นอกจากนี้ความก้าวหน้าในโปรไฟล์ตัวส่งสัญญาณและตัวสะสมช่วยปรับแต่งการแลกเปลี่ยนระหว่างการนำไฟฟ้าและการสลับการขาดทุนทำให้นักออกแบบมีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการจับคู่อุปกรณ์กับความต้องการของแอปพลิเคชัน

นอกจากนี้การรวมบรรจุภัณฑ์และโมดูลยังก้าวกระโดดครั้งใหญ่ โมดูลหลายชิปไดรเวอร์ประตูแบบบูรณาการและเทคโนโลยีการระบายความร้อนโดยตรงของเหลวได้รับอนุญาตให้มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นในรอยเท้าขนาดเล็ก คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ IGBTS รุ่นที่สี่เป็นตัวเลือกอันดับต้น ๆ สำหรับรถไฟไฟฟ้ายานพาหนะไฮบริดและโครงการโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานเช่นสมาร์ทกริดและระบบส่งกำลัง

โมดูล IGBT ความเร็วสูงที่ทันสมัย: สถานะของศิลปะ

โมดูล IGBT ของวันนี้เร็วขึ้นมีประสิทธิภาพมากขึ้นและทนทานกว่าที่เคยเป็นมา ต้องขอบคุณการทำให้ผอมบางเวเฟอร์ขั้นสูงโครงสร้างประตูร่องลึกพิเศษและซิลิคอนคาร์ไบด์ (SIC) ร่วมบรรจุในการออกแบบลูกผสมบางอย่างโมดูล IGBT ที่ทันสมัยสามารถบรรลุความเร็วในการสลับที่ยอดเยี่ยมโดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด

คุณสมบัติที่สำคัญบางอย่างของโมดูล IGBT ความเร็วสูงล่าสุด ได้แก่ :

• การสูญเสียการสลับต่ำเป็นพิเศษ:  ด้วยการใช้การหยุดสนามขั้นสูงและการออกแบบประตูสนามเพลาะการสลับการสูญเสียได้รับการย่อให้เล็กสุดทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นโดเมนของ MOSFETs

• การนำความร้อนสูง:  การใช้วัสดุเช่นอลูมิเนียมไนไตรด์สำหรับสารตั้งต้นและพันธะคอปเปอร์โดยตรง (DCB) โมดูลที่ทันสมัยจัดการความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นยืดอายุการใช้งานและปรับปรุงความน่าเชื่อถือ

• ความสามารถในการปรับขนาด:  สถาปัตยกรรมแบบแยกส่วนตอนนี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถสแต็คหรือโมดูล IGBT หลายโมดูลสำหรับแอพพลิเคชั่น megawatt-scale เช่นกังหันลมและตู้รถไฟไฟฟ้า

• การรวมอัจฉริยะ:  โมดูลที่ทันสมัยมาพร้อมกับเซ็นเซอร์ในตัวสำหรับอุณหภูมิกระแสและแรงดันไฟฟ้าช่วยให้สามารถวินิจฉัยอัจฉริยะการบำรุงรักษาทำนายและการควบคุมแบบเรียลไทม์

แอพพลิเคชั่นเช่นสถานีชาร์จ DC ที่รวดเร็วสำหรับ EVS รถไฟความเร็วสูงและอินเวอร์เตอร์อุตสาหกรรมความจุสูงในขณะนี้พึ่งพาโมดูล IGBT ขั้นสูงเหล่านี้อย่างมาก

อนาคตของเทคโนโลยี IGBT

ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์ bandgap กว้างเช่นซิลิกอนคาร์ไบด์ (SIC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GAN) กำลังเริ่มแข่งขันกับ IGBTs ในบางโดเมน IGBT ยังคงมีข้อได้เปรียบที่แข็งแกร่งในแง่ของต้นทุนวุฒิภาวะและความแข็งแกร่ง การพัฒนาในอนาคตมีแนวโน้มที่จะเกี่ยวข้องกับโมดูลไฮบริดที่รวม IGBTs และไดโอด SIC หรือแม้กระทั่งใช้เทคนิคการผลิตใหม่เช่นการพิมพ์เซมิคอนดักเตอร์เสริม

ยิ่งไปกว่านั้นระบบควบคุม IGBT จะกลายเป็นดิจิตอลมากขึ้นและกำหนดซอฟต์แวร์ด้วยระบบตรวจสอบ AI-Enhanced ที่สามารถปรับรูปแบบการสลับเพื่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานที่ดีที่สุด

ในขณะที่การผลักดันให้ทั่วโลกยังคงดำเนินต่อไปโดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคยานยนต์และพลังงานหมุนเวียน IGBTS จะยังคงเป็นหน่วยการสร้างหลักในระบบการแปลงพลังงานกลางและแรงดันสูง

ผู้เล่นที่เชื่อถือได้ใน IGBT Innovation: Jiangsu Donghai Semiconductor Co. , Ltd.

ในบรรดา บริษัท ต่าง ๆ ที่มีส่วนร่วมในการพัฒนาเทคโนโลยี IGBT, บริษัท เจียงซูดงไคเซมิคอนดักเตอร์ จำกัด จำกัด โดดเด่นในฐานะผู้ผลิตและผู้ริเริ่มในพื้นที่เซมิคอนดักเตอร์พลังงาน ด้วยการมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาชิปและโมดูล IGBT ที่มีประสิทธิภาพสูง บริษัท มีบทบาทสำคัญในการสนับสนุนอุตสาหกรรมตั้งแต่การขนส่งไฟฟ้าไปจนถึงพลังงานอัจฉริยะและระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

Jiangsu Donghai Semiconductor ผสมผสานความเชี่ยวชาญด้านวัสดุที่ลึกเข้ากับกระบวนการผลิตขั้นสูงเพื่อผลิตโซลูชั่น IGBT ที่เชื่อถือได้มีประสิทธิภาพและมีความเร็วสูง เมื่อความต้องการโมดูลพลังงานขนาดกะทัดรัดทนทานและมีประสิทธิภาพสูงเพิ่มขึ้น บริษัท อย่างเจียงซูดงไห่มีความสำคัญในการส่งมอบเทคโนโลยี IGBT รุ่นต่อไปเพื่อเพิ่มพลังงานในอนาคตที่ยั่งยืนและมีกระแสไฟฟ้ามากขึ้น