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Historia del desarrollo de IGBT
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) ha revolucionado la electrónica de potencia desde sus inicios, marcando un hito fundamental en el desarrollo de sistemas de conversión de energía de alta eficiencia. Nacido a finales de los años 1970 y principios de los 1980, el IGBT surgió como un dispositivo semiconductor híbrido que combinaba las ventajas de los transistores de unión bipolar (BJT) y los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET). Esta innovadora fusión tenía como objetivo abordar las limitaciones de las tecnologías existentes, ofreciendo menores pérdidas de conducción que los BJT y menores pérdidas de conmutación que los MOSFET, sentando así las bases para una nueva era en las aplicaciones de control de potencia. A lo largo de las décadas, la evolución de la tecnología IGBT ha seguido de cerca los avances en la ciencia de los materiales, la tecnología de procesos y el diseño de circuitos, superando continuamente los límites del rendimiento y la eficiencia. Desde sus humildes comienzos en controles de motores industriales y sistemas UPS, el IGBT ahora domina sectores que van desde inversores de energía renovable hasta vehículos eléctricos, desempeñando un papel fundamental para permitir un futuro más verde y sostenible.
Era prehistórica -PT
PT es la primera generación de IGBT. Utiliza un sustrato de P+ fuertemente dopado como capa inicial, sobre el cual se cultivan sucesivamente el tampón N+ y la epitaxia de base N, y finalmente se forma la estructura celular en la superficie de la capa de epitaxia. Se llama así porque el campo eléctrico recorre toda la región de base N en el momento de corte. Su proceso es complejo, su costo es alto y necesita control de la vida útil del portador. La caída de voltaje de saturación es un coeficiente de temperatura negativo, lo que no favorece la conexión en paralelo. Aunque fue una tormenta en la década de 1980, fue reemplazada gradualmente por el TNP a finales de la década de 1980. Actualmente, ha estado oculto en el mundo. Actualmente, todos los productos IGBT de Infineon no utilizan tecnología PT.
Líder temprano - IGBT2
Características: puerta plana, estructura no penetrante (NPT)
NPT-IGBT surgió en 1987 y pronto se convirtió en la hegemonía en los años 1990. La diferencia entre NPT y PT es que utiliza el sustrato N poco dopado como capa inicial, primero crea una estructura MOS en el frente de la región de deriva N y luego usa el proceso de adelgazamiento por molienda para reducir el espesor desde la parte posterior hasta el espesor requerido por la especificación de voltaje IGBT, y luego utiliza el proceso de implantación de iones para formar un colector P+ desde la parte posterior. En el momento de corte, el campo eléctrico no penetra la región de deriva N, por lo que se denomina IGBT de tipo "no penetrante". NPT no necesita control de vida útil de la portadora, pero su desventaja es que si se requiere una mayor capacidad de bloqueo de voltaje, inevitablemente requerirá una mayor resistividad y una capa de deriva de N más gruesa, lo que significa que el voltaje saturado Vce (sat) también aumentará. , aumentando así en gran medida la pérdida y el aumento de temperatura del dispositivo.
Habilidades: baja caída de presión de saturación, coeficiente de temperatura positivo, temperatura de unión de trabajo de 125 ℃, alta robustez
Coeficiente de temperatura positivo, conveniente para conexión en paralelo.
Nombre: Contenido descargable, KF2C, S4
Espera, ¡parece que algo extraño se mezcla!
¡Sin error! S4 realmente no es IGBT4, es IGBT2 con raíces rojas. Es adecuado para aplicaciones de conmutación de alta frecuencia. La frecuencia de conmutación dura puede alcanzar los 40 kHz. Este producto estrella todavía se vende bien.
Salto de rendimiento-IGBT3
Características: puerta de trinchera, parada de campo.
La aparición de IGBT3 ha desencadenado una gran revolución en el campo de los IGBT. La estructura celular del IGBT3 ha cambiado del tipo plano al tipo ranura. En los IGBT ranurados, el canal electrónico es perpendicular a la superficie de la oblea de silicio, lo que elimina la estructura JFET, aumenta la densidad del canal de superficie y mejora la concentración de portadores cerca de la superficie, optimizando así el rendimiento. (Consulte el artículo "Análisis estructural de IGBT planos y ranurados" para conocer la diferencia entre la tecnología de compuerta plana y ranurada).
En términos de estructura longitudinal, para aliviar la contradicción entre el voltaje de bloqueo y la caída de voltaje de saturación, Yingjia lanzó Field Stop IGBT en 2000, con el objetivo de minimizar el espesor de la zona de deriva y así reducir el voltaje de saturación. El material de partida del IGBT de parada de campo es el mismo que el del NPT, los cuales son sustratos N poco dopados. La diferencia es que en la parte posterior del IGBT FS se inyecta una capa tampón de N adicional y su concentración de dopaje es ligeramente mayor que la del sustrato de N. Por lo tanto, la intensidad del campo eléctrico se puede reducir rápidamente, haciendo que el campo eléctrico general sea trapezoidal, reduciendo así en gran medida el espesor requerido de la región de deriva N. Además, el buffer de N también puede reducir la eficiencia de emisión del emisor de P, reduciendo así la corriente residual y la pérdida al apagar. (Para obtener más información sobre la diferencia entre NPT y dispositivos de corte de campo, consulte la diferencia entre PT, NPT y FS IGBT).
Habilidades: baja caída de voltaje de conducción, temperatura de unión de trabajo de 125 ℃ (150 ℃ para dispositivos de 600 V), optimización del rendimiento del interruptor
Debido al corte de campo y a la celda ranurada, la caída de voltaje en estado encendido del IGBT3 es menor y el Vce (sat) típico oscila entre 3,4 en la segunda generación y 2,55 V en la tercera generación (3300 V, por ejemplo).
Nombre: T3, E3, L3
IGBT3 ha sido básicamente reemplazado por IGBT4 en el campo de media y baja tensión, pero aún domina en el campo de alta tensión. Por ejemplo, los productos principales de 3300V, 4500V y 6500V todavía utilizan la tecnología IGBT3.
El pilar: IGBT4
IGBT4 es la tecnología de chip IGBT más utilizada en la actualidad. El voltaje incluye 600 V, 1200 V, 1700 V y la corriente oscila entre 10 A y 3600 A. Se puede ver en varias aplicaciones.
Características: puerta de trinchera+corte de campo+oblea delgada
Al igual que IGBT3, es una estructura de compuerta con ranura y corte de campo, pero IGBT4 optimiza la estructura posterior, el espesor de la zona de deriva es más delgado y la concentración de dopaje y la eficiencia de emisión del emisor trasero de P y el amortiguador de N están optimizadas.
Habilidades: alta frecuencia de conmutación, suavidad de conmutación optimizada, temperatura de unión de trabajo de 150 ℃
IGBT4 reduce aún más la pérdida de conmutación mediante el uso de obleas delgadas y la optimización de la estructura posterior, mientras que la suavidad de conmutación es mayor. Al mismo tiempo, la temperatura máxima permitida de la unión operativa ha aumentado de 125 ℃ en la tercera generación a 150 ℃, lo que sin duda aumentará aún más la capacidad de corriente de salida del dispositivo.
Nombre: T4, E4, P4
T4 es una serie de baja potencia con una frecuencia de conmutación máxima de 20 kHz.
E4 es adecuado para aplicaciones de potencia media, con una frecuencia de conmutación máxima de 8 kHz.
P4 optimiza aún más la suavidad de la conmutación, que es más adecuada para aplicaciones de alta potencia, y la frecuencia de conmutación es de hasta 3 kHz.
Hombre rico sube al escenario - IGBT5
Características: puerta de trinchera+corte de campo+superficie cubierta de cobre
IGBT5 es el producto más lujoso de todas las series IGBT. Otros chips utilizan aluminio para la metalización de superficies. IGBT5 utiliza cobre grueso en lugar de aluminio. La capacidad actual y la capacidad calorífica del cobre son mucho mejores que las del aluminio, por lo que IGBT5 permite una temperatura de unión de trabajo y una corriente de salida más altas. Al mismo tiempo, se optimiza la estructura de la viruta y se reduce aún más el espesor de la viruta.
Habilidades: temperatura de unión de trabajo de 175 ℃, voltaje de saturación de 1,5 V, capacidad de corriente de salida aumentada en un 30%
Porque la superficie del IGBT5 está recubierta con cobre y avanzado. La tecnología de empaque XT se adopta en el empaque del módulo, la temperatura de la unión de trabajo puede alcanzar los 175 ℃. En comparación con IGBT4, el grosor del chip se reduce aún más, lo que hace que el voltaje de saturación caiga más bajo y la capacidad de corriente de salida aumente en un 30%.
Nombre: E5, P5
Actualmente, los chips IGBT5 solo están empaquetados en PrimePACK ™. Además, el voltaje es de solo 1200 V y 1700 V, lo que representa los productos FF1200R12IE5 y FF1800R12IP5.
Verdadero y Falso Rey Mono - TRENCHSTOP ™ 5
En el sector de gestión única, existe una categoría de productos llamada TRENCHSTOP ™ 5. A menudo escucho a la gente preguntar si H5, F5, S5 y L5 son IGBT5. En rigor, no lo es. Aunque el nombre tiene 5, H5, F5 y S5 pertenecen a otra familia llamada TRENCHSTOP ™ 5. Esta familia no tiene la bendición de la "armadura dorada" y el gen también es diferente del IGBT5.
Características: rejilla de ranura fina+corte de campo
Aunque todas se llaman rejillas de zanja, TRENCHSTOP™ siguen siendo muy diferentes a sus predecesoras. Tiene canales más densos y mayor densidad de corriente. No tiene capacidad de cortocircuito y al mismo tiempo logra el mejor rendimiento operativo.
Habilidades: temperatura máxima de trabajo de 175 ℃, alta frecuencia de conmutación, sin capacidad de cortocircuito
El rendimiento y el cortocircuito son siempre una contradicción. Para lograr un rendimiento excelente, se sacrifica el tiempo de cortocircuito de TRENCHSTOP ™ 5. TRENCHSTOP ™ 5 Según diferentes propósitos de aplicación, se puede lograr una pérdida de conducción extremadamente baja o una frecuencia de conmutación extremadamente alta, con una frecuencia de conmutación máxima de 70 ~ 100 kHz, y la caída mínima de voltaje de conducción puede ser tan baja como 1,05 V.
Nombre: H5, F5, S5, L5
TRENCHSTOP ™ Actualmente, solo hay dispositivos de 650 V y todos son dispositivos discretos. Esta serie de productos optimiza la pérdida en estado de encendido y la pérdida de conmutación para diferentes aplicaciones. H5/F5 es adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y L5 tiene la pérdida de conducción más baja. TRENCHSTOP ™ 5 La posición de cada producto en la curva de compromiso se muestra en la siguiente figura.
Estrella en ascenso: IGBT6
Aunque hay una brecha de 5 entre la sexta generación y la cuarta generación, la sexta generación es en realidad la versión optimizada de la cuarta generación, que sigue siendo el corte de campo y puerta de trinchera. Actualmente, IGBT6 solo se utiliza en un solo tubo.
Características: rejilla de zanja+corte de campo
La estructura del dispositivo es similar a la del IGBT4, pero la inyección trasera de P+ está optimizada para obtener una nueva curva de compromiso.
Habilidad: temperatura máxima de unión de trabajo de 175 ℃, controlable Rg, cortocircuito 3us
IGBT6 tiene actualmente dos series de productos: S6 tiene baja pérdida de conducción, Vce (sat) 1,85 V; H6 tiene una baja pérdida de conmutación, que es un 15% menor que H3.
Nombre: S6, H6
IGBT6 solo tiene productos de empaque de un solo tubo, como IKW15N12BH6, IKW40N120CS6, que están empaquetados con TO-247 de 3 pines, TO-247 más 3 pines y TO-247 más 4 pines.
Gran atención - IGBT7
Después de varias generaciones de acumulación, IGBT finalmente marcó el comienzo de IGBT7 en 2018.
Características: puerta con microranuras+corte de campo
Aunque todas son cuadrículas estriadas, toda la estructura será muy diferente si hay una micropalabra más. La densidad del canal IGBT7 es mayor, el espaciado de las celdas también está cuidadosamente diseñado y los parámetros de capacitancia parásita están optimizados para lograr el mejor rendimiento de conmutación a 5 kv/us.
Habilidad: temperatura de unión de sobrecarga de 175 ℃, controlable dv/dt
En comparación con IGBT4, IGBT7 Vce (sat) se reduce en un 20%, lo que puede alcanzar una temperatura de unión operativa transitoria máxima de 175 ℃.
Nombre: T7, E7
Los productos representativos incluyen: FP25R12W1T7. T7 está optimizado para el controlador de motor, que puede lograr el mejor rendimiento a 5 kv/us. E7 se usa más ampliamente, incluido el conductor de vehículos comerciales eléctricos, inversores fotovoltaicos, etc.
YTPQC-AHF, SVG
YTPQC-AHF (filtro armónico activo) , SVG (generador de var estático) utiliza principalmente un transistor bipolar de quinta puerta aislada (IGBT) para controlar la magnitud y la fase del voltaje de CA del inversor, a fin de lograr el propósito de filtrado de armónicos, compensación de potencia reactiva y Equilibrio de carga trifásico.
En términos de confiabilidad, debido a la falta de popularidad, la confiabilidad de los IGBT de mayor generación es menor que la de los IGBT de menor generación.
El IGBT de séptima generación tiene una frecuencia más alta y una velocidad más rápida. Lo que conducirá a un menor volumen de otros componentes utilizados por él, por lo que el volumen total del módulo es menor. Para nuestra industria, la principal diferencia es el volumen de producto. En términos de volumen de producto, actualmente estamos desarrollando un nuevo módulo de 2U, que tiene una capacidad de compensación considerable con un volumen menor.
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