تاريخ تطور IGBT

تاريخ تطور IGBT
أحدث الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT) ثورة في إلكترونيات الطاقة منذ بدايته، مما يمثل علامة فارقة في تطوير أنظمة تحويل الطاقة عالية الكفاءة. وُلد IGBT في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات من القرن الماضي، وظهر كجهاز هجين لأشباه الموصلات يجمع بين مزايا الترانزستورات ثنائية القطب (BJTs) وترانزستورات التأثير الميداني لأشباه الموصلات المعدنية (MOSFETs). يهدف هذا الدمج المبتكر إلى معالجة القيود المفروضة على التقنيات الحالية، مما يوفر خسائر توصيل أقل من BJTs وخسائر تحويل أقل من MOSFETs، وبالتالي تمهيد الطريق لعصر جديد في تطبيقات التحكم في الطاقة. على مر العقود، تابع تطور تكنولوجيا IGBT عن كثب التطورات في علوم المواد، وتكنولوجيا العمليات، وتصميم الدوائر، مما أدى باستمرار إلى دفع حدود الأداء والكفاءة. منذ بداياتها المتواضعة في مجال التحكم في المحركات الصناعية وأنظمة UPS، تهيمن IGBT الآن على قطاعات تتراوح من محولات الطاقة المتجددة إلى السيارات الكهربائية، وتلعب دورًا محوريًا في تمكين مستقبل أكثر خضرة واستدامة.

عصر ما قبل التاريخ -PT

 

 

 PT هو أقدم جيل من IGBT. إنها تستخدم ركيزة P+ مخدرة بشكل كبير كطبقة البداية، حيث يتم زراعة N+buffer وN-base epitaxy على التوالي، وأخيرًا يتم تشكيل البنية الخلوية على سطح الطبقة الفوقية. تم تسميته لأن المجال الكهربائي يمر عبر منطقة القاعدة N بأكملها في وقت القطع. عمليتها معقدة، وتكلفتها عالية، وتحتاج إلى التحكم في حياة الناقل. انخفاض جهد التشبع هو معامل درجة حرارة سلبي، وهو غير ملائم للاتصال المتوازي. وعلى الرغم من أنها كانت بمثابة عاصفة في الثمانينات، فقد تم استبدالها تدريجياً بمعاهدة حظر الانتشار النووي في أواخر الثمانينات. في الوقت الحاضر، تم إخفاؤه في العالم. في الوقت الحاضر، لا تستخدم جميع منتجات IGBT من Infineon تكنولوجيا PT.

 

القائد المبكر - IGBT2

 

 

الميزات: بوابة مستوية، هيكل غير مخترق (NPT)

ظهرت NPT-IGBT في عام 1987 وسرعان ما أصبحت القوة المهيمنة في التسعينيات. الفرق بين NPT وPT هو أنه يستخدم الركيزة N المنخفضة التطعيم كطبقة البداية، أولاً يصنع هيكل MOS على الجزء الأمامي من منطقة N-drift، ثم يستخدم عملية ترقق الطحن لتقليل السُمك من الخلف إلى السُمك الذي تتطلبه مواصفات جهد IGBT، ثم يستخدم عملية زرع الأيونات لتشكيل مجمع P+ من الخلف. في وقت القطع، لا يخترق المجال الكهربائي منطقة N-drift، لذلك يطلق عليه النوع "غير المخترق" IGBT. لا يحتاج NPT إلى التحكم في عمر الناقل، ولكن عيبه هو أنه إذا كانت هناك حاجة إلى قدرة حجب جهد أعلى، فسوف يتطلب الأمر حتمًا مقاومة أعلى وطبقة N-drift أكثر سمكًا، مما يعني أن الجهد المشبع Vce (sat) سيرتفع أيضًا مما يؤدي إلى زيادة الفقد وارتفاع درجة حرارة الجهاز بشكل كبير.

المهارات: انخفاض ضغط التشبع المنخفض، معامل درجة الحرارة الإيجابية، درجة حرارة تقاطع العمل 125 درجة مئوية، المتانة العالية

معامل درجة حرارة إيجابي، مناسب للاتصال المتوازي.

الاسم: DLC، KF2C، S4

انتظر، يبدو أن شيئًا غريبًا قد تم خلطه!

لا خطأ! S4 ليس في الحقيقة IGBT4، بل هو IGBT2 ذو جذور حمراء. إنها مناسبة لتطبيقات التبديل عالية التردد. يمكن أن يصل تردد التبديل الثابت إلى 40 كيلو هرتز. هذا المنتج النجم لا يزال يباع بشكل جيد.

 

قفزة الأداء-IGBT3

 

 

الميزات: بوابة الخندق، توقف ميداني

لقد أدى ظهور IGBT3 إلى إحداث ثورة هائلة في مجال IGBT. لقد تغير هيكل خلية IGBT3 من نوع الطائرة إلى نوع الأخدود. في IGBT المحززة، تكون القناة الإلكترونية متعامدة مع سطح رقاقة السيليكون، مما يلغي بنية JFET، ويزيد من كثافة القناة السطحية، ويحسن تركيز الموجة الحاملة القريبة من السطح، مما يجعل الأداء أكثر تحسينًا. (راجع مقال "التحليل الهيكلي لـ IGBT المستوي والمحزز" لمعرفة الفرق بين تقنية البوابات المستوية والمحززة).

 

فيما يتعلق بالهيكل الطولي، من أجل تخفيف التناقض بين عرقلة الجهد وانخفاض جهد التشبع، أطلقت Yingjia Field Stop IGBT في عام 2000، بهدف تقليل سمك منطقة الانجراف وبالتالي تقليل جهد التشبع. إن مادة البداية الخاصة بمحطة IGBT الميدانية هي نفس مادة NPT، وكلاهما عبارة عن ركائز N منخفضة المنشطات. الفرق هو أن الجزء الخلفي من FS IGBT يتم حقنه بطبقة عازلة N إضافية، وتركيز المنشطات الخاص به أعلى قليلاً من تركيز الركيزة N. لذلك، يمكن تقليل شدة المجال الكهربائي بسرعة، مما يجعل المجال الكهربائي الإجمالي شبه منحرف، وبالتالي تقليل السُمك المطلوب لمنطقة الانجراف N بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمخزن المؤقت N أيضًا تقليل كفاءة انبعاث باعث P، وبالتالي تقليل التيار الزائد والخسارة عند إيقاف التشغيل. (لمزيد من المعلومات حول الفرق بين أجهزة NPT وأجهزة القطع الميدانية، يرجى الرجوع إلى الفرق بين PT وNPT وFS IGBT).

 

المهارات: انخفاض جهد التوصيل المنخفض، درجة حرارة وصلة العمل 125 درجة مئوية (150 درجة مئوية لأجهزة 600 فولت)، تحسين أداء التبديل

نظرًا لقطع المجال والخلية المحززة، يكون انخفاض الجهد على الحالة لـ IGBT3 أقل، ويتراوح Vce (sat) النموذجي من 3.4 في الجيل الثاني إلى 2.55 فولت في الجيل الثالث (3300 فولت على سبيل المثال).

الاسم: T3، E3، L3

تم استبدال IGBT3 بشكل أساسي بـ IGBT4 في مجال الجهد المتوسط ​​والمنخفض، لكنه لا يزال يهيمن في مجال الجهد العالي. على سبيل المثال، المنتجات السائدة 3300 فولت، 4500 فولت و6500 فولت لا تزال تستخدم تكنولوجيا IGBT3.

 

الدعامة الأساسية - IGBT4

 

 

IGBT4 هي تقنية شرائح IGBT الأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر. يشمل الجهد 600 فولت، 1200 فولت، 1700 فولت، ويتراوح التيار من 10 أمبير إلى 3600 أمبير. يمكن رؤيته في التطبيقات المختلفة.

الميزات: بوابة الخندق + قطع الحقل + رقاقة رقيقة

مثل IGBT3، فهو عبارة عن هيكل بوابة قطع المجال + الأخدود، لكن IGBT4 يعمل على تحسين الهيكل الخلفي، وسمك منطقة الانجراف أرق، ويتم تحسين تركيز المنشطات وكفاءة الانبعاث للباعث P الخلفي والمخزن المؤقت N.

المهارات: تردد تبديل عالي، نعومة تبديل محسنة، درجة حرارة وصلة العمل 150 درجة مئوية

يعمل IGBT4 أيضًا على تقليل فقدان التبديل باستخدام رقائق رقيقة وتحسين الهيكل الخلفي، في حين أن نعومة التبديل أعلى. وفي الوقت نفسه، زادت درجة حرارة وصلة التشغيل القصوى المسموح بها من 125 درجة مئوية في الجيل الثالث إلى 150 درجة مئوية، مما سيؤدي بلا شك إلى زيادة سعة تيار الإخراج للجهاز.

الاسم: T4، E4، P4

T4 عبارة عن سلسلة منخفضة الطاقة بتردد تحويل أقصى يبلغ 20 كيلو هرتز.

E4 مناسب لتطبيقات الطاقة المتوسطة، مع تردد تحويل أقصى يبلغ 8 كيلو هرتز.

يعمل P4 أيضًا على تحسين نعومة التبديل، وهو أكثر ملاءمة لتطبيقات الطاقة العالية، ويصل تردد التبديل إلى 3 كيلو هرتز.

 

رجل غني يأتي على المسرح - IGBT5

 

 

 

المميزات: بوابة خندق + قطع ميداني + سطح مغطى بالنحاس

IGBT5 هو المنتج الأكثر فخامة في جميع سلاسل IGBT. تستخدم الرقائق الأخرى الألومنيوم لتمعدن السطح. يستخدم IGBT5 النحاس السميك بدلاً من الألومنيوم. تعد السعة الحالية للنحاس وقدرته الحرارية أفضل بكثير من الألومنيوم، لذلك يسمح IGBT5 بدرجة حرارة وصلة عمل أعلى وتيار الإخراج. وفي الوقت نفسه، تم تحسين هيكل الرقاقة، وتقليل سمك الرقاقة بشكل أكبر.

المهارات: 175 درجة حرارة تقاطع العمل، جهد التشبع 1.5 فولت، زيادة سعة تيار الإخراج بنسبة 30%

لأن سطح IGBT5 مطلي بالنحاس والمتقدم. تم اعتماد تقنية التعبئة والتغليف XT في عبوة الوحدة، ويمكن أن تصل درجة حرارة تقاطع العمل إلى 175 درجة مئوية. بالمقارنة مع IGBT4، تم تقليل سمك الشريحة بشكل أكبر، مما يجعل انخفاض جهد التشبع أقل وزيادة سعة تيار الإخراج بنسبة 30%.

الاسم: E5، P5

في الوقت الحاضر، يتم تعبئة رقائق IGBT5 فقط في PrimePACK ™. بالإضافة إلى ذلك، يبلغ الجهد الكهربي 1200 فولت و1700 فولت فقط، وهو ما يمثل المنتجات FF1200R12IE5 وFF1800R12IP5.

 

 

صحيح وخطأ الملك القرد -  TRENCHSTOP  ™  5

 

 

في قطاع الإدارة الفردي، هناك فئة من المنتجات تسمى TRENCHSTOP ™ 5. كثيرًا ما أسمع الناس يسألون ما إذا كانت H5 وF5 وS5 وL5 هي IGBT5؟ بالمعنى الدقيق للكلمة، ليس كذلك. على الرغم من أن الاسم يحتوي على 5، إلا أن H5 وF5 وS5 تنتمي إلى عائلة أخرى تسمى TRENCHSTOP ™ 5. ولا تتمتع هذه العائلة بمباركة "الدرع الذهبي"، ويختلف الجين أيضًا عن IGBT5.

 

الميزات: شبكة أخدود دقيقة + قطع ميداني

على الرغم من أن جميعها تسمى شبكات الخندق، إلا أن TRENCHSTOP ™ لا تزال مختلفة تمامًا عن سابقاتها. لديها قنوات أكثر كثافة وكثافة تيار أعلى. ليس لديها قدرة ماس كهربائى مع تحقيق أفضل أداء تشغيلي.

المهارات: 175 درجة مئوية الحد الأقصى لدرجة حرارة وصلة العمل، تردد تبديل عالي، لا توجد قدرة على ماس كهربائى

الأداء والدوائر القصيرة دائمًا ما يكونان تناقضًا. من أجل تحقيق الأداء الممتاز، يتم التضحية بوقت الدائرة القصيرة TRENCHSTOP ™ 5. TRENCHSTOP ™ 5 وفقًا لأغراض التطبيق المختلفة، يمكن تحقيق فقدان توصيل منخفض للغاية أو تردد تحويل مرتفع للغاية، مع الحد الأقصى لتردد التبديل من 70 إلى 100 كيلو هرتز، ويمكن أن يصل الحد الأدنى لانخفاض جهد التوصيل إلى 1.05 فولت.

الاسم: H5، F5، S5، L5

TRENCHSTOP ™ في الوقت الحاضر، لا يوجد سوى أجهزة 650 فولت، وكلها أجهزة منفصلة. تعمل هذه السلسلة من المنتجات على تحسين الخسارة في الحالة وخسارة التبديل لتطبيقات مختلفة. H5/F5 مناسب للتطبيقات عالية التردد، وL5 لديه أقل خسارة في التوصيل. TRENCHSTOP ™ 5 يظهر موضع كل منتج على منحنى التسوية في الشكل أدناه.

 

 

 

النجم الصاعد - IGBT6

 

 

على الرغم من وجود فجوة قدرها 5 بين الجيل السادس والجيل الرابع، فإن الجيل السادس هو في الواقع النسخة المحسنة من الجيل الرابع، والذي لا يزال يمثل بوابة الخندق + قطع الحقل. يُستخدم IGBT6 حاليًا في أنبوب واحد فقط.

 

الميزات: شبكة الخندق + قطع الحقل

يشبه هيكل الجهاز هيكل IGBT4، ولكن تم تحسين حقن P+ الخلفي للحصول على منحنى تسوية جديد.

المهارة: 175 درجة مئوية أقصى درجة حرارة تقاطع العمل، يمكن التحكم فيها Rg، دائرة قصر 3us

لدى IGBT6 حاليًا سلسلتين من المنتجات، S6 لديه فقدان توصيل منخفض، Vce (sat) 1.85V؛ يتميز H6 بفقد تحويل منخفض، وهو أقل بنسبة 15% من H3.

الاسم: S6، H6

لدى IGBT6 فقط منتجات التعبئة والتغليف أحادية الأنبوب، مثل IKW15N12BH6، وIKW40N120CS6، والتي يتم تعبئتها مع TO-247 3Pin، وTO-247 plus 3Pin، وTO-247 plus 4pin.

اهتمام كبير - IGBT7

 

بعد عدة أجيال من التراكم، دخلت IGBT أخيرًا IGBT7 في عام 2018.

الميزات: بوابة الأخدود الصغير + قطع المجال

على الرغم من أنها جميعها عبارة عن شبكات محززة، إلا أن البنية بأكملها ستكون مختلفة تمامًا إذا كانت هناك كلمة صغيرة أخرى. كثافة قناة IGBT7 أعلى، كما تم تصميم تباعد الخلايا بعناية، وتم تحسين معلمات السعة الطفيلية لتحقيق أفضل أداء تحويل عند 5 كيلو فولت/لنا.

المهارة: 175 درجة مئوية درجة حرارة الوصلة الزائدة، يمكن التحكم فيها dv/dt

بالمقارنة مع IGBT4، تم تقليل IGBT7 Vce (sat) بنسبة 20%، مما يمكن أن يحقق أقصى درجة حرارة وصلة تشغيل عابرة تبلغ 175 درجة مئوية.

الاسم: T7، E7

تشمل المنتجات التمثيلية ما يلي: FP25R12W1T7. تم تحسين T7 لمحرك المحرك، والذي يمكنه تحقيق أفضل أداء عند 5kv/us. يتم استخدام E7 على نطاق واسع، بما في ذلك سائق المركبات التجارية الكهربائية، والعاكس الكهروضوئي، وما إلى ذلك.

 

 

 

 

 

YTPQC-AHF، SVG

 

 

YTPQC-AHF (مرشح توافقي نشط) ، SVG (مولد Var ثابت)  يستخدم بشكل أساسي الترانزستور ثنائي القطب للبوابة المعزولة الخامسة (IGBT) للتحكم في حجم وطور جهد التيار المتردد العاكس، وذلك لتحقيق غرض الترشيح التوافقي وتعويض الطاقة التفاعلية و موازنة الحمل على 3 مراحل. 

 

من حيث الموثوقية، نظرًا لقلة الشعبية، فإن موثوقية الجيل الأعلى من IGBT أقل من موثوقية الجيل الأدنى من IGBT.

يتمتع الجيل السابع من IGBT بتردد أعلى وسرعة أكبر. مما سيؤدي إلى تقليل حجم المكونات الأخرى التي تستخدمها، وبالتالي يكون الحجم الإجمالي للوحدة أصغر. بالنسبة لصناعتنا، الفرق الرئيسي هو حجم المنتج. فيما يتعلق بحجم المنتج، نقوم حاليًا بتطوير وحدة جديدة مكونة من وحدتين، والتي تتمتع بقدرة تعويض كبيرة بحجم أصغر