Yalıtımlı kapılı bipolar transistör - Insulated-gate bipolar transistor

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Yalıtımlı kapılı bipolar transistör
IGBT 3300V 1200A Mitsubishi.jpg
1200 A nominal akıma ve maksimum 3300 V gerilime sahip IGBT modülü (IGBT'ler ve serbest devinimli diyotlar)
Çalışma prensibi Yarı iletken
İcat edildi 1959
Elektronik sembol
IGBT symbol.gif
IGBT şematik sembolü

Bir yalıtılmış-kapı çift kutuplu transistor ( IGBT ), üç terminal güç yarı iletken cihaz öncelikle geliştirilmiştir olarak, yüksek verim ve hızlı geçiş birleştirmek gelen, bir elektronik anahtarın olarak kullanılır. Metal oksit yarı iletken (MOS) geçit yapısı tarafından kontrol edilen dört alternatif katmandan (P – N – P – N) oluşur .

IGBT'nin yapısı topolojik olarak "MOS" kapılı ( MOS-geçit tristörü ) bir tristör ile aynı olmasına rağmen, tristör hareketi tamamen bastırılır ve tüm cihaz çalışma aralığında yalnızca transistör eylemine izin verilir. Yüksek güçlü uygulamalarda güç kaynaklarının anahtarlanmasında kullanılır : değişken frekanslı sürücüler (VFD'ler), elektrikli arabalar , trenler, değişken hızlı buzdolapları, lamba balastları, ark kaynağı makineleri ve klimalar.

Hızla açılıp kapanacak şekilde tasarlandığından, IGBT, karmaşık dalga formlarını darbe genişlik modülasyonu ve alçak geçiren filtrelerle sentezleyebilir , bu nedenle ses sistemlerinde ve endüstriyel kontrol sistemlerinde amplifikatörlerin anahtarlanmasında da kullanılır . Anahtarlama uygulamalarında modern cihazlar , bir analog ses amplifikatörü olarak kullanıldığında cihaz tarafından kullanılan ses frekanslarından en az on kat daha yüksek olan ultrasonik aralık frekanslarına iyi bir şekilde darbe tekrarlama oranlarına sahiptir . 2010 yılı itibarıyla IGBT, MOSFET gücünden sonra en yaygın kullanılan ikinci güç transistörüdür .

IGBT karşılaştırma tablosu
Cihaz karakteristiği Güç bipolar Güç MOSFET IGBT
Voltaj ölçümü Yüksek <1 kV Yüksek <1 kV Çok yüksek> 1 kV
Güncel Beğeni Yüksek <500 A Yüksek> 500 A Yüksek> 500 A
Giriş sürücüsü Mevcut oran
h FE ~ 20–200
Gerilim
V GS ~ 3–10 V
Gerilim
V GE ~ 4–8 V
Giriş empedansı Düşük Yüksek Yüksek
Çıkış empedansı Düşük Orta Düşük
Anahtarlama hızı Yavaş (µs) Hızlı (ns) Orta
Maliyet Düşük Orta Yüksek

Cihaz yapısı

MOSFET ve bipolar cihazın dahili bağlantısını gösteren tipik bir IGBT'nin kesiti

Bir IGBT hücresi, n-kanallı dikey yapılı güç MOSFET'e benzer şekilde inşa edilir , ancak n + drenajın bir p + kollektör katmanı ile değiştirilmesi, böylece dikey bir PNP bipolar bağlantı transistörü oluşturur . Bu ek p + bölgesi, bir PNP bipolar bağlantı transistörünün yüzey n-kanal MOSFET ile kademeli bağlantısını oluşturur .

Tarih

Bir IGBT'nin statik özelliği

Metal oksit yarı iletken alan etkili transistor (MOSFET) tarafından icat edilmiştir Mohamed M. atalla ve Dawon Kahng de Bell Labs , ilk olarak önerilmiştir, 1959 yılında bir PNP transistor, bir MOSFET tarafından tahrik edilen işlem, temel IGBT modu K.Yamagami ve Mitsubishi Electric'ten Y. Akagiri, 1968'de dosyalanan Japon patent S47-21739'da.

1970'lerde güç MOSFET'lerinin ticarileştirilmesinin ardından, B.Jayant Baliga , 1977'de General Electric'te (GE) , dört katmanlı bir VMOS olan tristörlerin MOS geçişi de dahil olmak üzere, IGBT çalışma moduna sahip bir güç yarı iletken cihazını açıklayan bir patent açıklaması sundu. (V-oluklu MOSFET) yapısı ve dört katmanlı bir yarı iletken cihazı kontrol etmek için MOS-kapılı yapıların kullanılması. 1978'de Margaret Lazeri'nin yardımıyla GE'de IGBT cihazını imal etmeye başladı ve 1979'da projeyi başarıyla tamamladı. Deneylerin sonuçları 1979'da rapor edildi. Cihaz yapısı "V-oluklu MOSFET cihazı olarak adlandırıldı. boşaltma bölgesi, bu yazıda "p-tipi bir anot bölgesi" ile değiştirilir ve ardından "yalıtımlı geçit doğrultucu" (IGR), yalıtımlı geçit transistörü (IGT), iletkenlik modülasyonlu alan etkili transistör (COMFET) ve " bipolar modlu MOSFET ".

MOS kontrollü bir triyak cihaz, 1978'de BW Scharf ve JD Plummer tarafından yanal dört katmanlı cihazları (SCR) ile bildirildi. Plummer, 1978'de dört katmanlı cihazda (SCR) bu çalışma modu için bir patent başvurusunda bulundu. USP No. 4199774 1980'de yayınlandı ve B1 Re33209 1996'da yeniden yayınlandı. Dört katmanlı cihazdaki (SCR) IGBT çalışma modu, kolektör akımı "mandal yukarı" akımını aştıysa tristör çalışmasına geçti. tristörün iyi bilinen teorisinde "tutma akımı".

IGBT'nin gelişimi, tristör çalışmasını tamamen bastırma çabaları veya dört katmanlı cihazdaki mandallı kilitlenme ölümcül cihaz arızasına neden olduğu için dört katmanlı cihazdaki mandal ile karakterize edildi. Bu nedenle IGBT teknolojisi, aşağıda açıklandığı gibi parazitik tristörün mandallanmasının tam olarak bastırılması sağlandığında oluşturulmuştu.

Hans W. Becke ve Carl F. Wheatley, 1980'de patent başvurusunda bulundukları ve "anot bölgeli güç MOSFET'i" olarak adlandırdıkları benzer bir cihaz geliştirdiler. Patent, "herhangi bir cihaz çalışma koşulu altında hiçbir tristör eylemi oluşmadığını" iddia etti. Cihaz, Baliga'nın 1979'da bildirilen önceki IGBT cihazına genel olarak benzer bir yapıya ve benzer bir başlığa sahipti.

A. Nakagawa vd. 1984 yılında kilitlenmeyen IGBT'lerin cihaz tasarım konseptini icat etti. Buluş, cihaz satürasyon akımını mandallı akımın altına ayarlayan cihaz tasarımıyla karakterize edilir, bu parazitik tristörü tetikler. Bu buluş, ilk kez parazitik tristör hareketinin tamamen bastırılmasını gerçekleştirdi, çünkü maksimum kolektör akımı doyma akımı ile sınırlıydı ve mandallama akımını asla aşmadı. Kilitlenmeyen IGBT'lerin cihaz tasarım konseptinin icadından sonra, IGBT'ler hızla gelişti ve mandallı olmayan IGBT'lerin tasarımı fiili bir standart haline geldi ve mandallamasız IGBT'lerin patenti temel IGBT patenti oldu. gerçek cihazların.

IGBT'nin erken geliştirme aşamasında, tüm araştırmacılar parazitik tristörün kilitlenmesini bastırmak için mandallama akımının kendisini artırmaya çalıştı. Ancak, tüm bu çabalar başarısız oldu çünkü IGBT çok büyük bir akım yürütebilirdi. Kilitlemenin başarılı bir şekilde bastırılması, IGBT'nin yapabileceği maksimum kolektör akımını, doğal MOSFET'in doygunluk akımını kontrol ederek / azaltarak mandallama akımının altında sınırlayarak mümkün oldu. Bu, mandallı olmayan IGBT konseptiydi. "Becke'in cihazı", mandallı olmayan IGBT ile mümkün oldu.

IGBT, aynı anda yüksek voltaj ve büyük bir akımı idare etme kabiliyetiyle karakterizedir. IGBT fazla 5 ulaştığı işleyebilir voltaj ve akım yoğunluğunun ürünü x 10 5 W / cm 2 kadar bir değeri aştığında, 2 x 10 5 W / cm 2 kutuplu transistörler gibi mevcut elektrik cihazları, güç MOSFET'leri. Bu, IGBT'nin geniş güvenli çalışma alanının bir sonucudur . IGBT, şimdiye kadar geliştirilmiş en sağlam ve en güçlü güç cihazıdır, bu nedenle kullanıcılara cihazı ve yer değiştirmiş bipolar transistörleri ve hatta GTO'ları kolayca kullanma olanağı sağlar . IGBT'nin bu mükemmel özelliği, kilitlenmeyen IGBT'nin 1984'te, aygıtın tahrip edilmesinin veya aygıt arızasının ana nedeni olan sözde “mandallama” sorununu çözerek kurulmasıyla aniden ortaya çıktı. Bundan önce, geliştirilen cihazlar çok zayıftı ve "mandallama" nedeniyle imha edilmesi kolaydı.

Pratik cihazlar

Genişletilmiş bir akım aralığında çalışabilen pratik cihazlar ilk olarak B. Jayant Baliga ve ark. 1982'de. Pratik bir ayrık dikey IGBT cihazının ilk deneysel gösterimi, Baliga tarafından o yıl IEEE Uluslararası Elektron Cihazları Toplantısında (IEDM) bildirildi. General Electric , aynı yıl Baliga'nın IGBT cihazını ticarileştirdi. Baliga, IGBT'nin icadı için Ulusal Mucitler Onur Listesi'ne alındı .

Benzer bir makale, JP Russel ve ark. Cihaza yönelik uygulamalar, başlangıçta güç elektroniği topluluğu tarafından, düşük anahtarlama hızı ve cihazın doğasında bulunan parazitik tristör yapısının kilitlenmesi nedeniyle ciddi şekilde kısıtlanmış olarak görülüyordu . Ancak, Baliga ve ayrıca AM Goodman ve ark. 1983'te, anahtarlama hızının elektron ışınlaması kullanılarak geniş bir aralıkta ayarlanabileceğini söyledi . Bunu, 1985 yılında Baliga tarafından cihazın yüksek sıcaklıklarda çalışmasının gösterilmesi izledi. Parazitik tristörün kilitlenmesini bastırmak için başarılı çabalar ve GE'deki cihazların voltaj derecelendirmesinin ölçeklendirilmesi, 1983 yılında ticari cihazların kullanılmasına izin verdi. , çok çeşitli uygulamalar için kullanılabilir. GE'nin cihazı IGT D94FQ / FR4'ün elektriksel özellikleri, PCI Nisan 1984 işlemlerinde Marvin W. Smith tarafından ayrıntılı olarak rapor edilmiştir. Marvin W. Smith, kapı için 10 amperin üzerinde kesilen işlemlerin Şekil 12'de gösterdi. IGT D94FQ / FR4 40 amper kollektör akımı iletebilmesine rağmen, 1 kOhm'luk kapı direnci için 5kOhm ve 5 amper üzerindeki direnç, güvenli çalışma alanı değiştirilerek sınırlandırılmıştır. Marvin W. Smith ayrıca, anahtarlama güvenli çalışma alanının parazitik tristörün kilitlenmesi ile sınırlı olduğunu belirtti.

Tüm cihaz operasyon aralığı için parazitik tristör eyleminin tamamen bastırılması ve sonuçta ortaya çıkan mandallamasız IGBT operasyonu A. Nakagawa ve ark. Kilitli olmayan tasarım konsepti ABD patentleri için dosyalandı. Kilitleme eksikliğini test etmek için prototip 1200 V IGBT'ler, 600 V'luk bir sabit voltaj kaynağı üzerinden herhangi bir yük olmaksızın doğrudan bağlandı ve 25 mikrosaniye açıldı. 600 V'un tamamı cihaz boyunca düşürüldü ve büyük bir kısa devre akımı geçti. Cihazlar bu ağır duruma başarıyla dayandı. Bu, IGBT'lerde "kısa devreye karşı dayanıklılığın" ilk gösterisiydi. Tüm cihaz çalışma aralığı için ilk kez mandalsız IGBT çalışması sağlandı. Bu anlamda, Hans W. Becke ve Carl F. Wheatley tarafından önerilen mandallamasız IGBT, A. Nakagawa ve ark. 1984'te. Mandallı olmayan IGBT'lerin ürünleri ilk olarak 1985 yılında Toshiba tarafından ticarileştirildi. Bu, mevcut IGBT'nin gerçek doğuşuydu.

IGBT'lerde mandallamasızlık yeteneği elde edildiğinde, IGBT'lerin çok sağlam ve çok geniş bir güvenli çalışma alanı sergilediği görülmüştür . Bu çalışma akımı yoğunluğu ve toplayıcı voltajının ürünüdür çift kutuplu transistörler teorik limiti, 2 aştığını gösterilmiştir x 10 5 W / cm 2 ve 5 ulaşmıştır x 10 5 W / cm 2 .

Yalıtım malzemesi tipik olarak bozunmayla ilgili sorunları olan katı polimerlerden yapılır. Üretimi iyileştirmek ve gerekli voltajı düşürmek için bir iyon jeli kullanan gelişmeler var .

1980'lerin ve 1990'ların başındaki ilk nesil IGBT'ler, mandallama (akım aktığı sürece cihazın kapanmayacağı) ve ikincil arıza (cihazdaki yerelleştirilmiş bir sıcak noktanın girdiği ) gibi etkiler nedeniyle arızaya eğilimliydi. termal kaçak ve cihazı yüksek akımlarda yakar). İkinci nesil cihazlar çok geliştirildi. Mevcut üçüncü nesil IGBT'ler, hız rakip güç MOSFET'leri ve mükemmel sağlamlığı ve aşırı yük toleransı ile daha da iyidir . İkinci ve üçüncü nesil cihazların son derece yüksek darbe değerleri, aynı zamanda onları , tiratronlar ve tetiklenen kıvılcım boşlukları gibi eski cihazların yerini almaya başladıkları, parçacık ve plazma fiziği gibi alanlarda büyük güç darbeleri üretmek için yararlı kılar . Artı pazarındaki yüksek darbe değerleri ve düşük fiyatlar, katı hal Tesla bobinleri ve bobin tabancaları gibi cihazları çalıştırmak için büyük miktarlarda gücü kontrol etmek için yüksek voltaj meraklıları için onları çekici kılar .

Patent sorunları

1978'de JD Plummer tarafından önerilen cihaz (ABD Patent Re.33209), MOS geçidi olan bir tristör ile aynı yapıdadır. Plummer, cihazın daha yüksek akım yoğunluğu seviyesinde bir tristör olarak çalışmasına rağmen, cihazın bir transistör olarak kullanılabileceğini keşfetti ve önerdi. JD Plummer, teknik makalesinde bu gerçeği bildirdi: "MOS Kontrollü Triyak Cihazı" BW Scharf ve JD Plummer, 1978 IEEE Uluslararası Katı Hal Devreleri Konferansı, XVI FAM 16.6. JD Plummer tarafından önerilen cihaz, burada "Plummer'ın cihazı" olarak anılacaktır. Öte yandan, Hans W. Becke, 1980 yılında, temel cihaz yapısı JD Plummer tarafından önerilen ile aynı olmasına rağmen, herhangi bir cihaz çalışma koşulunda tristör hareketinin tamamen ortadan kaldırıldığı başka bir cihaz önerdi. Hans W. Becke tarafından geliştirilen cihaz, burada "Becke'in cihazı" olarak anılmaktadır ve ABD Patenti 4364073'te açıklanmaktadır. "Plummer cihazı" ile "Becke cihazı" arasındaki fark, "Plummer cihazının" tristör eylem moduna sahip olmasıdır. çalışma aralığı ve "Becke's cihazı" hiçbir zaman tüm çalışma aralığında tristör eylem moduna sahip değildir. Bu kritik bir noktadır, çünkü tristör hareketi "mandallama" denen şeyle aynıdır. "Kilitleme", önemli cihaz arızalarının ana nedenidir. Bu nedenle teorik olarak, "Plummer'ın cihazı" geniş bir güvenli çalışma alanına sahip sağlam veya güçlü bir güç cihazını asla fark etmez. Geniş güvenli çalışma alanı, ancak “mandallama” tamamen bastırıldıktan ve tüm cihaz çalışma aralığında ortadan kaldırıldıktan sonra elde edilebilir. Bununla birlikte, Becke'nin patenti (ABD Patenti 4364073), gerçek cihazları gerçekleştirmek için herhangi bir önlem açıklamamıştır.

Becke'nin, Baliga'nın önceki IGBT cihazına benzer bir yapıyı açıklayan patentine rağmen, birkaç IGBT üreticisi Becke'in patentinin lisans ücretini ödedi. Toshiba , 1985 yılında "mandallamasız IGBT" yi ticarileştirdi. Stanford Üniversitesi, 1991 yılında Toshiba cihazının "Plummer cihazının" ABD Patent RE33209'unu ihlal ettiğinde ısrar etti. Toshiba, "mandallamalı olmayan IGBT'lerin" cihazın tüm çalışma aralığını asla kilitlemediğini ve bu nedenle "Plummer'ın patentinin" ABD Patenti RE33209'u ihlal etmediğini yanıtladı. Stanford Üniversitesi, Kasım 1992'den sonra hiçbir zaman yanıt vermedi. Toshiba, "Becke'in patenti" lisansını satın aldı ancak "Plummer'ın cihazı" için hiçbir lisans ücreti ödemedi. Diğer IGBT üreticileri de Becke'in patenti için lisans ücretini ödedi.

Başvurular

2010 yılı itibarıyla IGBT, MOSFET gücünden sonra en yaygın kullanılan ikinci güç transistörüdür . IGBT, güç transistörü pazarının% 27'sini oluşturuyor, yalnızca güç MOSFET'inden (% 53) sonra ikinci ve RF amplifikatörü (% 11) ve bipolar bağlantı transistörünün (% 9 ) önünde . IGBT, tüketici elektroniği , endüstriyel teknoloji , enerji sektörü , havacılık elektronik cihazları ve ulaşımda yaygın olarak kullanılmaktadır .

Avantajları

IGBT, güç MOSFET'lerinin basit geçit sürücü özelliklerini , çift ​​kutuplu transistörlerin yüksek akım ve düşük doygunluk voltajı kapasitesi ile birleştirir . IGBT , kontrol girişi için izole-geçitli bir FET'i ve tek bir cihazda anahtar olarak iki kutuplu bir güç transistörünü birleştirir . IGBT, anahtarlamalı güç kaynakları , çekiş motoru kontrolü ve endüksiyonlu ısıtma gibi orta ila yüksek güçlü uygulamalarda kullanılır . Büyük IGBT modülleri tipik olarak paralel birçok cihazdan oluşur ve 6500 V'luk engelleme gerilimleri ile yüzlerce amper düzeyinde çok yüksek akım işleme kapasitesine sahip olabilir . Bu IGBT'ler yüzlerce kilovatlık yükleri kontrol edebilir .

Güç MOSFET'leri ile Karşılaştırma

Bir IGBT, daha yüksek bloke edici voltaj oranlı cihazlarda geleneksel bir MOSFET'e kıyasla önemli ölçüde daha düşük bir ileri voltaj düşüşüne sahiptir, ancak MOSFET'ler, IGBT'nin BJT çıkışında bir diyot Vf olmaması nedeniyle daha düşük akım yoğunluklarında çok daha düşük ileri voltaj sergiler. Hem MOSFET hem de IGBT cihazlarının bloke edici voltaj derecesi arttıkça, n-sürüklenme bölgesinin derinliği artmalı ve doping azalmalıdır, bu da cihazın voltaj kapasitesine karşı ileri iletimde kabaca kare ilişkisinde azalma ile sonuçlanır. İleri iletim sırasında kolektör p + bölgesinden n-sürüklenme bölgesine azınlık taşıyıcıları (delikler) enjekte ederek, n-sürüklenme bölgesinin direnci önemli ölçüde azaltılır. Bununla birlikte, durumdaki ileri voltajdaki bu sonuçta meydana gelen azalma birkaç cezayla birlikte gelir:

  • Ek PN bağlantısı ters akım akışını engeller. Bu, bir MOSFET'in aksine, IGBT'lerin ters yönde hareket edemeyeceği anlamına gelir. Ters akım akışının gerekli olduğu köprü devrelerinde, akımı ters yönde iletmek için IGBT ile paralel (aslında anti-paralel ) ek bir diyot ( serbest devinimli diyot olarak adlandırılır ) yerleştirilir . IGBT kullanımının baskın olduğu daha yüksek voltajlarda, ayrık diyotlar bir MOSFET'in vücut diyotundan önemli ölçüde daha yüksek performansa sahip olduğundan, ceza aşırı derecede ağır değildir.
  • N-sürüklenme bölgesinin kolektör P + diyotuna olan ters eğilim derecesi genellikle onlarca volttur, bu nedenle devre uygulaması IGBT'ye bir ters voltaj uygularsa, ek bir seri diyot kullanılmalıdır.
  • N-drift bölgesine enjekte edilen azınlık taşıyıcılar, açılış ve kapanışta girip çıkmak veya yeniden birleşmek için zaman alır. Bu, daha uzun anahtarlama sürelerine ve dolayısıyla bir güç MOSFET'ine kıyasla daha yüksek anahtarlama kaybına neden olur.
  • IGBT'lerdeki durumdaki ileri voltaj düşüşü, güç MOSFET'lerinden çok farklı davranır. MOSFET voltaj düşüşü, akımla orantılı voltaj düşüşü ile bir direnç olarak modellenebilir. Aksine, IGBT sadece akımın logu ile artan diyot benzeri bir voltaj düşüşüne (tipik olarak 2V düzeyinde) sahiptir . Ek olarak, MOSFET direnci tipik olarak daha küçük engelleme voltajları için daha düşüktür, bu nedenle IGBT'ler ve güç MOSFET'leri arasındaki seçim, belirli bir uygulamada yer alan hem engelleme voltajına hem de akıma bağlı olacaktır.

Genel olarak, yüksek voltaj, yüksek akım ve düşük anahtarlama frekansları IGBT'yi desteklerken, düşük voltaj, orta akım ve yüksek anahtarlama frekansları MOSFET'in alanıdır.

IGBT modelleri

IGBT'li devreler, SPICE , Sabre ve diğer programlar gibi bilgisayar programlarını simüle eden çeşitli devre ile geliştirilebilir ve modellenebilir . Bir IGBT devresini simüle etmek için, cihaz (ve devredeki diğer cihazlar), cihazın elektrik terminallerindeki çeşitli gerilimlere ve akımlara tepkisini tahmin eden veya simüle eden bir modele sahip olmalıdır. Daha kesin simülasyonlar için sıcaklığın IGBT'nin çeşitli kısımları üzerindeki etkisi simülasyona dahil edilebilir. İki yaygın modelleme yöntemi mevcuttur: cihaz fiziğine dayalı model, eşdeğer devreler veya makromodeller. Renk katın gibi bileşenlerin bir topluluk birleştiren bir MacroModel kullanılarak simüle IGBT'ler FET'ler ve BJT a Darlington konfigürasyonu . Alternatif bir fizik tabanlı model, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden Allen Hefner tarafından sunulan Hefner modelidir . Hefner'ın modeli oldukça karmaşıktır ve çok iyi sonuçlar göstermiştir. Hefner'ın modeli 1988 tarihli bir makalede anlatılmış ve daha sonra IGBT'nin dahili ısıtmaya tepkisini içeren bir termo-elektrik modeline genişletilmiştir. Bu model, Sabre simülasyon yazılımının bir sürümüne eklenmiştir .

IGBT arıza mekanizmaları

IGBT'lerin arıza mekanizmaları, ayrı ayrı aşırı gerilme (O) ve yıpranmayı (wo) içerir.

Yıpranma arızaları temel olarak önyargı sıcaklığı dengesizliği (BTI), sıcak taşıyıcı enjeksiyonu (HCI), zamana bağlı dielektrik arıza (TDDB), elektromigrasyon (ECM), lehim yorgunluğu, malzeme yeniden yapılandırması, korozyonu içerir. Aşırı gerilim arızası temel olarak elektrostatik deşarj (ESD), mandallama, çığ, ikincil kırılma, tel-bağ kalkması ve yanmayı içerir.

IGBT modülleri

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar