Izolovaný bipolární tranzistor brány

Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem ( IGBT , anglicky IGBT ) je zařízení polovodičového rodina tranzistorů , které se používají jako spínače elektroniky, zejména v uspořádání na výkonové elektroniky .

Tato součást, která kombinuje výhody předchozích technologií - to znamená velkou jednoduchost řízení tranzistoru s efektem pole ve srovnání s bipolárním tranzistorem při zachování nízkých ztrát vodivosti druhého - umožnila mnoho pokroků v aplikace výkonové elektroniky, a to jak z hlediska spolehlivosti , tak z hlediska ekonomiky.

Tranzistory IGBT umožnily představit si dříve neživotaschopný vývoj, zejména pokud jde o proměnnou rychlost, stejně jako v aplikacích elektrických strojů a výkonových měničů, které nás doprovázejí každý den a všude, aniž bychom si toho byli zvlášť vědomi: automobily , vlaky , podchody , autobusy , letadla , lodě , výtahy , domácí spotřebiče , televize , domácí automatizace ,  atd.

Historický

Prvním pokusem týkajícím se této komponenty je její realizace v diskrétních součástech, přičemž tranzistor s efektem pole s nízkým výkonem ovládá bipolární výkonový tranzistor (sestava BipMos). Cílem je zjednodušit řídicí obvody vlastní aplikacím spínacích výkonových tranzistorů, které byly v 70. a 80. letech velmi složité .

Technologie IGBT byla patentována ve Spojených státech dne14. prosince 1982Hans W. Beck a Carl F. Wheatley, Jr., pod názvem Power MOSFET s rokem náběhový kraji (Patent n o  4,364,073). Jedná se o nejnovější technologii, která nahrazuje tyristory , Darlingtonovy tranzistory a tyristory GTO .

První generace tranzistorů IGBT měla značné problémy se západkou (nebo západkou ) , které byly napraveny ve druhé generaci, která se objevila na počátku 90. let . Konec XX tého  století došlo tři nové IGBT generací, která se zvýšila o představení pro proudy a napětí důležitých (IGBT s příkopu strukturami CSTBT).

Charakteristiky IGBT znamenají, že v roce 2000 se ve všech oblastech výkonové elektroniky široce prosazoval proti jiným typům komponentů pro napěťové rozsahy 600  V až 3300  V a že proniká při vyšších napětích proti GTO , stejně jako v nižší napětí proti MOSFET , i když je pomalejší.

Vlastnosti

IGBT je hybridní tranzistor, který kombinuje tranzistor s efektem pole typu MOSFET na vstupu a bipolární tranzistor na výstupu. Je tedy řízen hradlovým napětím (mezi hradlem a emitorem ), které je na něj aplikováno, ale jeho vodivostní charakteristiky (mezi kolektorem a emitorem ) jsou bipolární. Ekvivalentní diagram protikladu IGBT tranzistoru ukazuje třetí tranzistor, který představuje parazitní vlastnost odpovědnou za blokování .

Tato struktura mu dává nízké energetické náklady na řízení MOSFET, s nižšími ztrátami vodivosti (v dané oblasti čipu) bipolárního systému. Kromě toho IGBT zvládnou mnohem vyšší napětí, než jaké zpracovávají MOSFETy.

Odpor státu

Odpor v zapnutém stavu (inverzní vůči vodivosti ) je definován odporem tranzistoru, když je tranzistor v režimu vedení (říkáme také „nasycený“): v případě FET se také nazývá R DSon , je reprezentován V CEsat pro bipolární. Toto je důležitá charakteristika, protože určuje nárůst teploty součásti v závislosti na proudu I ce  : čím nižší je V CEsat , tím vyšší může být přípustný proud. V případě IGBT je on-state odpor minimalizován použitím bipolárního tranzistoru na výstupu a optimalizací jeho saturace. Za tímto účelem je možné snížit R DSon vstupního MOSFET a zvýšit zisk bipolárního tranzistoru. Příliš velký zisk však povede k vysokému riziku zablokování .

Nejnovější technologie SPT ( Soft-Punch-Through ), známé jako SPT + , umožňují dále snižovat pokles dopředného napětí V CEsat řádově o 25 až 30%.

Transkonduktance

Transkonduktance z IGBT je poměr mezi výstupním proudu a vstupního napětí. Tento poměr závisí na mnoha parametrech, včetně velikosti tranzistoru, teploty nebo výstupního proudu. Na rozdíl od bipolárních tranzistorů MOSFET a IGBT nemají zisk transkonduktance, který klesá s výstupním proudem.

Přepínání

Slabina IGBT (ve srovnání s MOSFET) má za následek v zásadě jeho rychlost přepínání, zejména při přechodu ze zapnutého stavu do blokovaného stavu: „  díry  “ přítomné v „zóně N-epitaxe“ ( zóna Drift ) musí rekombinovat nebo být evakuován, když napětí brány poklesne pod spínací práh. Technologie PT má nárazníkovou oblast ( nárazník ) poblíž driftu zóny pro urychlení absorpčních otvorů. Tranzistory IGBT-PT budou proto rychlejší, ale budou mít vyšší napětí V CEsat .

Maximální spínací frekvence lze významně zvýšit použitím pasivních ( disipativních ), ale především aktivních (nedisipativních) „spínacích asistenčních obvodů“ typu „ZVS“ ( Zero Voltage Switch , přepínání na nulu napětí), „ZCS“ ( Zero Current Switch ) nebo jiné. Tyto obvody tím, že zajišťují „měkké spínání“, umožňují drastické snížení spínacích ztrát a současně značně usnadňují shodu zařízení s ohledem na elektromagnetickou kompatibilitu . Kvůli své složitosti a nákladům jsou však stále málo využívány ve vysokých silách.

Lock ( se západkou )

IGBT má čtyři vrstvy NPNP, které se za určitých podmínek mohou stát vodivými jako tyristor kvůli přítomnosti parazitního tranzistoru mezi emitorem a základnou hlavního bipolárního tranzistoru (viz ekvivalentní diagram výše): c 'je západka - efekt nahoru . Za těchto podmínek zůstane tranzistor zapnutý s destruktivními účinky, dokud není přerušeno napájení. Výrobcům se podařilo snížit tento hlavní problém s tranzistorem IGBT různými způsoby: snížením transkonduktance bipolárního výstupního tranzistoru pomocí nových technik leptání, jako je IGBT Trench. Tyto evoluce a zdokonalení procesů řízení brány znamenají, že fenomén zamykání je v současné době dobře kontrolován a již nepředstavuje problémy pro rozvoj průmyslového využití IGBT.

Bezpečnostní oblast ( bezpečná provozní oblast )

Bezpečnostní oblast nebo „bezpečná provozní oblast“ nebo SOA (což je zkratka pro bezpečnou provozní oblast ) označuje povolené provozní oblasti tranzistoru v rovině proud - napětí . V těchto oblastech může tranzistor pracovat bez poškození v obdobích, kdy polovodičem protéká velký proud a na jeho svorkách je velké napětí, to znamená mimo provoz „nasycený“. (Pokles vodiče a nízkého napětí ). Ve všech případech mohou být tyto provozní zóny pouze přechodné, protože síly rozptýlené v okamžitých hodnotách jsou o několik řádů vyšší než nominální přípustný výkon součásti. Existují tři kritické fáze:

  1. Zkrat . Jedná se o takzvanou oblast SCSOA (pro zkrat SOA ) nebo zkratovou bezpečnostní oblast. Když je zátěž řízená tranzistorem zkratována, požadovaný proud je teoreticky nekonečný. V praxi je proud I CE v tranzistoru omezen napětím V GE na hradle a hodnotou transkonduktance a také vnějším obvodem. Riziko pro IGBT je pak uzamykací ( blokovací ). V závislosti na použité rodině je toto riziko minimalizováno na úkor transkonduktance nebo V CEsat . Některé IGBT mají vnitřní obvod pro omezení zkratového proudu na několik násobků jmenovitého proudu;
  2. Zapnutí → VYP s indukční zátěží. Toto je oblast známá jako RBSOA (pro reverzní zkreslení SOA ) nebo reverzní bezpečnostní oblast. Během této přechodové fáze přecházíme ze stavu, kdy je v zátěži a v tranzistoru ustálen stabilní (a významný) proud I CE , do stavu, kdy je tranzistor blokován. Napětí V CE se poté zvyšuje o několik voltů na napájecí napětí zvýšené o FCEM indukční zátěže. Tento FCEM musí být omezen například takzvanou „volnoběžkou“ diodou na svorkách. Během této fáze je proud konstantní - protože když je zátěž indukční , má tendenci bránit se kolísání proudu - to až do konce rekombinace nosných a blokování spojení zvýšením bariéry potenciálu . To má za následek riziko „rozbití“ součásti tvorbou lokalizovaných horkých míst a tepelného úniku; tento jev je u bipolárních výkonových tranzistorů známý pod názvem „second breakdown“ ( v angličtině Second Break Down ). IGBT jsou však mnohem odolnější než bipolární, aby vydržely v reverzní bezpečnostní oblasti. Obvody, které pomáhají blokovat spínání, odvozením proudu z indukční zátěže (například v pomocném kondenzátoru) během blokovací periody umožňují spínání s téměř nulovými ztrátami pro křemík a zabraňují riziku druhého rozbití;
  3. Použití tranzistoru v lineárním režimu. Studium této fáze je předmětem omezenějšího zájmu, protože to není obvyklý provozní režim IGBT. Zvláštní pozornost tomuto provoznímu režimu je však nutná při implementaci ochranných obvodů součásti proti zkratům.

Výkon

Následující tabulka ukazuje typický výkon některých produktů na trhu tranzistorů.

Ukazuje obecný trend:

Průměrné charakteristiky srovnávány
  MOSFET 600V IGBT 600V IGBT 1700V IGBT 3300V IGBT 6500V GTO 6000V
V CEsat při 125  ° C 2,2 V 1,8 V 2,5 V 3,5 V 5,3 V 3 V
typická frekvence 15-100 kHz 6-40 kHz 3-10 kHz 1-5 kHz 0,8-2 kHz 0,3 - 1 kHz

Výrobky od určitých výrobců se mohou významně odchýlit od zmíněných hodnot, protože podléhají různým optimalizacím (vylepšení jednoho z parametrů na úkor druhého) nebo používání velmi nejnovějších technik.

Struktura

Struktura IGBT je založena na struktuře dvojitě rozptýleného vertikálního MOSFETu  : tloušťka podpěry se používá k oddělení odtoku od zdroje . Typické tloušťky destiček jsou řádově 70 až 100  um . Takzvaná epitaxní zóna , dotovaná N-, umožňuje vzhled kanálu, když jsou elektrony injektovány bránou ( VG > 0, zapnutý stav).

Technika dvojité difúze se používá k vytvoření jamek dopovaných P / P + v blízkosti zdroje. Přítomnost oblasti dotované P + snižuje riziko blokování a zvyšuje prahové napětí spínání.

Hlavním rozdílem mezi svislým MOSFET a IGBT je existence vrstvy substrátu P + (silně dotovaného ) na straně odtoku / kolektoru. Tato vrstva injektuje otvory do N-vrstvy, což má za následek snížení úbytku napětí v zapnutém stavu a jeho transformaci na bipolární tranzistor .

V zablokovaném stavu je to N-vrstva, která podporuje napětí. Toto maximální napětí bude o to větší, že vrstva N epitaxe je lehce dotovaná a / nebo tlustá.

V zapnutém stavu bude proud omezen šířkou kanálu. Svislé struktury umožňují paralelní umístění několika elementárních článků, aby se zvýšil přípustný proud a snížil sevřený odpor R DSon .

Různé struktury IGBT

Zobrazení sekcí IGBT
Průřez IGBT.svg IGBT průřez PT.svg Průřez IGBT PT trench.svg
No Punch Through Prorazit Punch Through in Trench

Nejjednodušší strukturou je IGBT NPT (anglická zkratka: Non Punch Through ) s plochou mřížkou. Používá tenčí čipy bez další vrstvy N +. Transkonduktance bude nižší, takže v případě zkratu je robustnější .

Plochá mřížka IGBT PT (zkratka: Punch Through ) používá tlusté čipy s vrstvou vyrovnávací paměti N +. V zásadě má nižší pokles napětí v zapnutém stavu.

Tato vyrovnávací vrstva mezi zónou epitaxe N a zónou vstřikování P + kolektoru umožňuje dosáhnout distribuce lichoběžníkového elektrického pole.

Existují také tranzistory zvané DS-IGBT (pro vyčerpání zastavit IGBT) nebo FS-IGBT (pro Field Stop IGBT), které mají stejné vlastnosti jako PT-IGBT, s méně dotovanou vyrovnávací vrstvou. To umožňuje použít jednodušší výrobní techniky NPT-IGBT.

Předcházející struktury zvané plochá mřížka (anglicky: planar ) mají tu výhodu, že se snadno provádějí. Používá se však také takzvaná technologie příkopové brány (anglicky: trench ): zóna epitaxe je vyříznuta pod mřížkou, aby se snížily jevy blokování a umožnila větší hustota proudu. Tato geometrie je také kompaktnější a obecně efektivnější než geometrie s rovinnou mřížkou.

Technologie

IGBT se vyrábějí technikami podobnými integrovaným obvodům (jako MOSFET , ale na rozdíl od GTO a výkonových tyristorů ). To má za následek, že velikost čipu je omezena na přibližně 1  cm 2 , zatímco je známo, že se vyrábějí monolitické diody o průměru 150  mm (176  cm 2 ).

Velké IGBT jsou tedy vícečipové moduly složené z mnoha paralelních čipů, obvykle připájených na měděnou nebo Al-SiC podrážku, přes kterou jsou chlazeny . Většina také obsahuje antiparalelní diodu (nebo „volnoběh“), která je sama o sobě vícečipová. Tato dioda je velmi důležitou součástí modulu IGBT, protože její vlastnosti (zejména krycí) musí být kompatibilní se samotnou IGBT, což je zásadní nutnost. To navíc představuje jednu z prvních aplikací pro polovodiče z karbidu křemíku .

Technologie RC IGBT ( reverzní vedení IGBT) integruje do IGBT diodu s volnoběžkou. Výhodou této konfigurace ve srovnání se dvěma samostatnými prvky je to, že umožňuje mít vyšší hustotu výkonu a mít diodu se stejným jmenovitým proudem jako IGBT, přičemž dva prvky používají stejnou polovodičovou zónu. Na druhou stranu, dioda je optimalizována pro malý pokles napětí ve vedení a ne pro minimální dobu zotavení, tuto konfiguraci lze použít pouze s měkkým přepínáním.

Existují hlavně „N-kanály“ IGBT. Doplňková struktura „kanálu P“ je možná, ale omezená na malé výkony, protože pokud jde o bipolární tranzistory a MOSFET, získané vlastnosti jsou méně dobré (například vyšší ztráty).

Tyto komponenty jsou k dispozici prakticky ve všech běžných baleních, od malého plastového pouzdra ( TO-220 ) pro proudy od několika zesilovačů do několika desítek zesilovačů a napětí kolektor-emitor od 600 do 1 500 voltů, až po moduly s vysokým výkonem několika sto ampér a pár kilovoltů . V balíčcích tiskových balíčků jsou také IGBT , což je zapouzdření, které se již používá pro určité tyristory , s výhodami, které to přináší.

Rozsahy a použití

Tyto komponenty jsou k dispozici v rozsahu napětí od 600 (a méně) do 6500  voltů a proudy do 2400  ampérů na modul. Nejběžnější hodnoty napětí jsou:

Aplikace

Obvyklými aplikacemi IGBT jsou střídače , usměrňovače a střídače pro spínání a napájení s proměnnými otáčkami , ale také pro FAKTA .

Příklady

IGBT se používá téměř výhradně při přepínání, to znamená, když jsou žádoucí pouze nasycené a blokované stavy. Nicméně, stejně jako jakýkoli tranzistor, že má „lineární“ nebo aktivní operační oblast, která může být použita pro konkrétní aplikace ( zesilovače ,  atd ).

Hlavní výrobci

Poznámky a odkazy

  1. (en) Základy IGBT , návrháři napájení.
  2. (in) University of Maryland - C. Frank Wheatley, Jr., BSEE , a patent na webových stránkách USPTO .
  3. (in) Application Note 9016 , Fairchild.
  4. (in) Vysoce výkonný duální IGBT modul nové generace - Mitsubishi (2003) [PDF] .
  5. (in) Worldwide Market Statistics and Trends , Darnell Group (a firm of market research in power Electronics).
  6. (en) Aplikační poznámka AN-983 od IRF (1996).
  7. (in) Trench IGBTs Improve Appliance Motor Drives - Power Electronics Technology (srpen 2006).
  8. V CEsat = napětí kolektoru a emitoru v nasyceném stavu. Uvedené hodnoty jsou průměry hodnot inzerovaných různými výrobci.
  9. Typická spínací frekvence v běžných aplikacích.
  10. (in) Izolovaný bipolární tranzistor brány , Skupina pro modelování zařízení, University of Glasgow .
  11. Komerční produkty jsou obvykle omezeny na průměr 100  mm , jako T3101N Infineon (pro čip: pouzdro je 150  mm )
  12. Cree kombinuje IGBT a SiC diodu , Électronique International.
  13. (in) Thomas Kimmer, „  reverzní vedení IGBT pro indukční ohřev  “ [ archiv11. srpna 2014] , na infineon.com , Infineon Technologies ,Srpna 2012(zpřístupněno 29. července 2014 ) .
  14. [PDF] (in) Stefan Kaufmann, Thomas Lang a Rahul Chokhawala, Innovation Press Pack IGBT Modules for High Power , ABB Semiconductors AG , web 5scomponents.com, přístup 7. července 2012.
  15. podíl vyšší než 50% na trhu v souladu se této studie podle UIC a Deutsche Bahn .
  16. „  THALES TSW 2500  “ , na transmitter.be , Broadcast Belgium (přístup 3. prosince 2012 ) .
  17. „  THOMSON TSW 2500 D  “ , na transmitter.be , Broadcast Belgium (přístup 3. prosince 2012 ) .
  18. Guy Pellet, „krátkovlnné rozhlasové vysílače 250 kW“ , Techniques de l'INGENIEUR , reference E6115, 10. listopadu 1998, o techniques-ingenieur.fr ao cat.inist.fr [ on-line náhledu na books.google.fr  ( stránka konzultována 3. prosince 2012)] .
  19. (in) "Článek 24  kW Single Source, HMI Type Discharge Light dorazí" PR Newswire , Sun Valley, Kalifornie, 1. st  září 2009.

externí odkazy

Francouzsky

V angličtině