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Historique du développement de l'IGBT
Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) a révolutionné l'électronique de puissance depuis sa création, marquant une étape cruciale dans le développement de systèmes de conversion d'énergie à haut rendement. Né à la fin des années 1970 et au début des années 1980, l'IGBT est apparu comme un dispositif semi-conducteur hybride combinant les avantages des transistors à jonction bipolaire (BJT) et des transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET). Cette fusion innovante visait à remédier aux limites des technologies existantes, en offrant des pertes de conduction inférieures à celles des BJT et des pertes de commutation inférieures à celles des MOSFET, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle ère dans les applications de contrôle de puissance. Au fil des décennies, l'évolution de la technologie IGBT a suivi de près les progrès de la science des matériaux, de la technologie des procédés et de la conception de circuits, repoussant continuellement les limites de la performance et de l'efficacité. Depuis ses humbles débuts dans les commandes de moteurs industriels et les systèmes UPS, l'IGBT domine désormais des secteurs allant des onduleurs d'énergie renouvelable aux véhicules électriques, jouant un rôle central dans la création d'un avenir plus vert et plus durable.
Ère préhistorique -PT
PT est la première génération d’IGBT. Il utilise un substrat P+ fortement dopé comme couche de départ, sur laquelle l'épitaxie tampon N+ et l'épitaxie à base N sont successivement développées, et enfin la structure cellulaire est formée à la surface de la couche d'épitaxie. Il doit son nom au fait que le champ électrique traverse toute la région de la base N à l’heure limite. Son processus est complexe, son coût est élevé et il nécessite un contrôle de la durée de vie du porteur. La chute de tension de saturation est un coefficient de température négatif, ce qui n'est pas propice à une connexion parallèle. Même s’il s’agissait d’une tempête dans les années 1980, il a été progressivement remplacé par le TNP à la fin des années 1980. À l’heure actuelle, il est caché dans le monde. À l'heure actuelle, tous les produits IGBT d'Infineon n'utilisent pas la technologie PT.
Premier leader - IGBT2
Caractéristiques : portail plan, structure non pénétrante (NPT)
Le NPT-IGBT est apparu en 1987 et est rapidement devenu hégémonique dans les années 1990. La différence entre NPT et PT est qu'il utilise le substrat N faiblement dopé comme couche de départ, crée d'abord la structure MOS sur le devant de la région de dérive N, puis utilise le processus d'amincissement par meulage pour réduire l'épaisseur de l'arrière vers L'épaisseur requise par la spécification de tension IGBT, puis utilise le processus d'implantation ionique pour former un collecteur P+ par l'arrière. Au moment de coupure, le champ électrique ne pénètre pas dans la région de dérive N, c'est pourquoi on l'appelle IGBT de type « non pénétrant ». NPT n'a pas besoin de contrôle de la durée de vie de la porteuse, mais son inconvénient est que si une capacité de blocage de tension plus élevée est requise, elle nécessitera inévitablement une résistivité plus élevée et une couche de dérive N plus épaisse, ce qui signifie que la tension saturée Vce (sat) augmentera également. , augmentant ainsi considérablement les pertes et l'échauffement de l'appareil.
Compétences : faible chute de pression de saturation, coefficient de température positif, température de jonction de travail de 125 ℃, haute robustesse
Coefficient de température positif, pratique pour une connexion parallèle.
Nom : DLC, KF2C, S4
Attendez, on dirait que quelque chose d'étrange s'y mélange !
Pas d'erreur! S4 n'est vraiment pas un IGBT4, c'est un IGBT2 avec des racines rouges. Il convient aux applications de commutation haute fréquence. La fréquence de commutation dure peut atteindre 40 kHz. Ce produit star se vend toujours bien.
Saut de performance-IGBT3
Caractéristiques : porte de tranchée, arrêt de terrain
L’émergence de l’IGBT3 a déclenché une énorme révolution dans le domaine de l’IGBT. La structure cellulaire de l'IGBT3 est passée du type plan au type rainure. Dans l'IGBT rainuré, le canal électronique est perpendiculaire à la surface de la plaquette de silicium, ce qui élimine la structure JFET, augmente la densité du canal de surface et améliore la concentration de porteurs près de la surface, optimisant ainsi les performances. (Reportez-vous à l'article « Analyse structurelle des IGBT planaires et rainurés » pour connaître la différence entre la technologie des portes planaires et rainurées).
En termes de structure longitudinale, afin d'atténuer la contradiction entre la tension de blocage et la chute de tension de saturation, Yingjia a lancé Field Stop IGBT en 2000, dans le but de minimiser l'épaisseur de la zone de dérive et ainsi de réduire la tension de saturation. Le matériau de départ de l'IGBT à arrêt de champ est le même que celui du NPT, tous deux étant des substrats N faiblement dopés. La différence est que l'arrière du FS IGBT est injecté avec une couche tampon N supplémentaire et sa concentration de dopage est légèrement supérieure à celle du substrat N. Par conséquent, l’intensité du champ électrique peut être rapidement réduite, rendant le champ électrique global trapézoïdal, réduisant ainsi considérablement l’épaisseur requise de la région de dérive N. De plus, le tampon N peut également réduire l'efficacité d'émission de l'émetteur P, réduisant ainsi le courant de fuite et la perte lors de la mise hors tension. (Pour plus d'informations sur la différence entre les dispositifs de coupure NPT et de champ, veuillez vous référer à la différence entre PT, NPT et FS IGBT).
Compétences : faible chute de tension de conduction, température de jonction de travail de 125 ℃ (150 ℃ pour les appareils 600 V), optimisation des performances des commutateurs
En raison de la coupure de champ et de la cellule rainurée, la chute de tension à l'état passant de l'IGBT3 est plus faible et le Vce (sat) typique varie de 3,4 dans la deuxième génération à 2,55 V dans la troisième génération (3 300 V par exemple).
Nom : T3, E3, L3
L'IGBT3 a été essentiellement remplacé par l'IGBT4 dans le domaine de la moyenne et de la basse tension, mais il domine toujours dans le domaine de la haute tension. Par exemple, les produits grand public de 3 300 V, 4 500 V et 6 500 V utilisent toujours la technologie IGBT3.
Le pilier - IGBT4
L'IGBT4 est actuellement la technologie de puce IGBT la plus utilisée. La tension comprend 600 V, 1 200 V, 1 700 V et le courant varie de 10 A à 3 600 A. Cela peut être vu dans diverses applications.
Caractéristiques : porte de tranchée + coupure de champ + plaquette fine
Comme l'IGBT3, il s'agit d'une structure de coupure de champ + porte à rainure, mais l'IGBT4 optimise la structure arrière, l'épaisseur de la zone de dérive est plus fine et la concentration de dopage et l'efficacité d'émission de l'émetteur arrière P et du tampon N sont optimisées.
Compétences : fréquence de commutation élevée, douceur de commutation optimisée, température de jonction de travail de 150 ℃
L'IGBT4 réduit encore la perte de commutation en utilisant des tranches fines et en optimisant la structure arrière, tandis que la douceur de commutation est plus élevée. Dans le même temps, la température de jonction de fonctionnement maximale autorisée est passée de 125 ℃ dans la troisième génération à 150 ℃, ce qui augmentera sans aucun doute encore la capacité de courant de sortie de l'appareil.
Nom : T4, E4, P4
T4 est une série basse consommation avec une fréquence de commutation maximale de 20 kHz.
E4 convient aux applications de puissance moyenne, avec une fréquence de commutation maximale de 8 kHz.
P4 optimise encore la douceur de commutation, qui est plus adaptée aux applications à haute puissance, et la fréquence de commutation peut atteindre 3 kHz.
Un homme riche entre en scène - IGBT5
Caractéristiques : porte de tranchée + coupure de champ + surface recouverte de cuivre
L'IGBT5 est le produit le plus luxueux de toutes les séries IGBT. D'autres puces utilisent de l'aluminium pour la métallisation de la surface. L'IGBT5 utilise du cuivre épais au lieu de l'aluminium. La capacité actuelle et la capacité thermique du cuivre sont bien meilleures que celles de l'aluminium, de sorte que l'IGBT5 permet une température de jonction de travail et un courant de sortie plus élevés. Dans le même temps, la structure des copeaux est optimisée et leur épaisseur est encore réduite.
Compétences : température de jonction de travail de 175 ℃, tension de saturation de 1,5 V, capacité de courant de sortie augmentée de 30 %
Parce que la surface de l'IGBT5 est recouverte de cuivre et avancée. La technologie d'emballage XT est adoptée dans l'emballage du module, la température de jonction de travail peut atteindre 175 ℃. Par rapport à l'IGBT4, l'épaisseur de la puce est encore réduite, ce qui réduit la tension de saturation et augmente la capacité de courant de sortie de 30 %.
Nom: E5, P5
À l'heure actuelle, les puces IGBT5 sont uniquement conditionnées dans PrimePACK ™. De plus, la tension n'est que de 1 200 V et 1 700 V, ce qui représente les produits FF1200R12IE5 et FF1800R12IP5.
Vrai et Faux Roi Singe - TRENCHSTOP ™ 5
Dans le secteur de la gestion unique, il existe une catégorie de produits appelée TRENCHSTOP™ 5. J'entends souvent les gens demander si H5, F5, S5 et L5 sont des IGBT5 ? Ce n’est pas le cas à proprement parler. Bien que le nom contienne 5, H5, F5 et S5 appartiennent à une autre famille appelée TRENCHSTOP ™ 5. Cette famille n'a pas de bénédiction « armure dorée », et le gène est également différent de l'IGBT5.
Caractéristiques : grille à rainures fines + coupure de champ
Bien qu'ils soient tous appelés grilles de tranchées, TRENCHSTOP ™ Ils restent très différents de leurs prédécesseurs. Il possède des canaux plus denses et une densité de courant plus élevée. Il n'a pas de capacité de court-circuit tout en obtenant les meilleures performances de fonctionnement.
Compétences : température de jonction de travail maximale de 175 ℃, fréquence de commutation élevée, aucune capacité de court-circuit
Performance et court-circuit sont toujours une contradiction. Afin de rechercher d'excellentes performances, le temps de court-circuit de TRENCHSTOP ™ 5 est sacrifié. TRENCHSTOP ™ 5 Selon différentes applications, une perte de conduction extrêmement faible ou une fréquence de commutation extrêmement élevée peuvent être obtenues, avec une fréquence de commutation maximale de 70 ~ 100 kHz, et la chute de tension de conduction minimale peut être aussi faible que 1,05 V.
Nom : H5, F5, S5, L5
TRENCHSTOP ™ À l'heure actuelle, il n'existe que des appareils de 650 V, et ce sont tous des appareils discrets. Cette série de produits optimise la perte à l'état passant et la perte de commutation pour différentes applications. H5/F5 convient aux applications haute fréquence et L5 présente la perte de conduction la plus faible. TRENCHSTOP™ 5 La position de chaque produit sur la courbe de compromis est indiquée dans la figure ci-dessous.
Étoile montante - IGBT6
Bien qu'il y ait un écart de 5 entre la 6ème génération et la 4ème génération, la 6ème génération est en fait la version optimisée de la 4ème génération, qui est toujours la coupure porte de tranchée+champ. L'IGBT6 n'est actuellement utilisé qu'en tube unique.
Caractéristiques : grille de tranchée + coupure de champ
La structure du dispositif est similaire à celle de l'IGBT4, mais l'injection arrière P+ est optimisée pour obtenir une nouvelle courbe de compromis.
Compétence : température de jonction de travail maximale de 175 ℃, Rg contrôlable, court-circuit 3us
L'IGBT6 propose actuellement deux séries de produits, le S6 a une faible perte de conduction, Vce (sat) 1,85 V ; Le H6 a une faible perte de commutation, 15 % inférieure à celle du H3.
Nom: S6, H6
L'IGBT6 ne propose que des produits d'emballage à tube unique, tels que IKW15N12BH6, IKW40N120CS6, qui sont emballés avec TO-247 3 broches, TO-247 plus 3 broches et TO-247 plus 4 broches.
Grande attention - IGBT7
Après plusieurs générations d’accumulation, l’IGBT a finalement inauguré l’IGBT7 en 2018.
Caractéristiques : porte à micro-rainure + coupure de champ
Bien qu'il s'agisse toutes de grilles rainurées, la structure entière sera très différente s'il y a un micromot supplémentaire. La densité des canaux IGBT7 est plus élevée, l'espacement des cellules est également soigneusement conçu et les paramètres de capacité parasite sont optimisés pour obtenir les meilleures performances de commutation à 5 kv/us.
Compétence : température de jonction de surcharge de 175 ℃, dv/dt contrôlable
Par rapport à l'IGBT4, l'IGBT7 Vce (sat) est réduit de 20 %, ce qui permet d'atteindre une température de jonction de fonctionnement transitoire maximale de 175 ℃.
Nom: T7, E7
Les produits représentatifs incluent : FP25R12W1T7. Le T7 est optimisé pour le pilote de moteur, qui peut atteindre les meilleures performances à 5kv/us. E7 est plus largement utilisé, notamment pour les conducteurs de véhicules utilitaires électriques, les onduleurs photovoltaïques, etc.
YTPQC-AHF, SVG
YTPQC-AHF (filtre harmonique actif) , SVG (générateur de var statique) utilise principalement le 5ème transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) pour contrôler l'amplitude et la phase de la tension alternative de l'onduleur, afin d'atteindre l'objectif de filtrage des harmoniques, de compensation de puissance réactive et Équilibrage de charge triphasé.
En termes de fiabilité, en raison du manque de popularité, la fiabilité de l'IGBT de génération supérieure est inférieure à celle de l'IGBT de génération inférieure.
L'IGBT de septième génération a une fréquence plus élevée et une vitesse plus rapide. Ce qui entraînera une réduction du volume des autres composants utilisés, de sorte que le volume global du module est plus petit. Pour notre industrie, la principale différence réside dans le volume des produits. En termes de volume de produit, nous développons actuellement un nouveau module 2U, qui a une capacité de compensation considérable avec un volume plus petit
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