Bipolär transistor med isolerad grind - Insulated-gate bipolar transistor

Isolerad bipolär transistor
IGBT 3300V 1200A Mitsubishi.jpg
IGBT -modul (IGBT och frihjulsdioder) med en märkström på 1200 A och en maximal spänning på 3300 V
Arbetsprincip Halvledare
Uppfunnet 1959
Elektronisk symbol
IGBT symbol.gif
IGBT schematisk symbol

En isolerad grind bipolär transistor ( IGBT ) är en treterminal halvledare som huvudsakligen används som en elektronisk omkopplare, som, när den utvecklades, kom att kombinera hög effektivitet och snabb omkoppling. Den består av fyra alternerande lager (P – N – P – N) som styrs av en metall -oxid – halvledare (MOS) grindstruktur .

Även om strukturen för IGBT är topologiskt densamma som en tyristor med en "MOS" -port ( MOS-gate-tyristor ), undertrycks tyristorverkan helt och endast transistorverkan är tillåten i hela enhetens driftområde. Den används för att byta strömförsörjning i högeffektsapplikationer: frekvensomriktare (VFD), elbilar , tåg, kylskåp med variabel hastighet, lampdon, bågsvetsmaskiner och luftkonditionering.

Eftersom det är utformat för att slå på och av snabbt kan IGBT syntetisera komplexa vågformer med pulsbreddsmodulering och lågpassfilter , så det används också i växlingsförstärkare i ljudsystem och industriella styrsystem . I omkopplingsapplikationer har moderna enheter pulsrepetitionshastigheter långt in i ultraljudsomfångsfrekvenserna, som är minst tio gånger högre än ljudfrekvenser som hanteras av enheten när de används som en analog ljudförstärkare. Från och med 2010 är IGBT den näst mest använda effekttransistorn, efter kraften MOSFET .

IGBT -jämförelsetabell
Enhetens egenskaper Kraft bipolär Power MOSFET IGBT
Spänning Hög <1 kV Hög <1 kV Mycket hög> 1 kV
Nuvarande omdöme Hög <500 A Hög> 500 A Hög> 500 A
Ingångsenhet Strömförhållande
h FE ~ 20–200
Spänning
V GS ~ 3–10 V
Spänning
V GE ~ 4–8 V
Ingångsimpedans Låg Hög Hög
Utgångsimpedans Låg Medium Låg
Växlingshastighet Långsam (µs) Snabb (ns) Medium
Kosta Låg Medium Hög

Enhetsstruktur

Tvärsnitt av en typisk IGBT som visar intern anslutning av MOSFET och bipolär enhet

En IGBT-cell är konstruerad på samma sätt som en n-kanals vertikal konstruktionseffekt MOSFET , förutom att n+ avloppet ersätts med ett p+ kollektorskikt, vilket bildar en vertikal PNP bipolär övergångstransistor . Denna ytterligare p+ region skapar en kaskadanslutning av en PNP bipolär övergångstransistor med ytan-kanalen MOSFET .

Historia

Statisk egenskap hos en IGBT

Den metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor (MOSFET) uppfanns av Mohamed M. Atalla och Dawon Kahng vid Bell Labs 1959. Den grundläggande IGBT driftmod, där en pnp-transistor drivs av en MOSFET, först föreslogs av K. Yamagami och Y. Akagiri från Mitsubishi Electric i det japanska patentet S47-21739, som ingavs 1968.

Efter kommersialiseringen av kraft-MOSFET på 1970-talet lämnade B. Jayant Baliga in ett patentmeddelande hos General Electric (GE) 1977 som beskriver en halvledare med IGBT-drift, inklusive MOS- grindning av tyristorer , en fyrlagers VMOS (V-groove MOSFET) struktur och användning av MOS-gated strukturer för att styra en fyrskiktad halvledaranordning. Han började tillverka IGBT-enheten med hjälp av Margaret Lazeri vid GE 1978 och avslutade projektet framgångsrikt 1979. Resultaten av experimenten rapporterades 1979. Enhetens struktur kallades en "V-groove MOSFET-enhet med dräneringsområde ersatt av en p-typ anodregion "i detta dokument och därefter som" den isolerade grindlikriktaren "(IGR), den isolerade grindtransistorn (IGT), den konduktivitetsmodulerade fälteffekttransistorn (COMFET) och" bipolärt läge MOSFET ".

En MOS-styrd triac-enhet rapporterades av BW Scharf och JD Plummer med deras laterala fyrskiktsenhet (SCR) 1978. Plummer lämnade in en patentansökan för detta driftsätt i fyrlagersanordningen (SCR) 1978. USP Nr 4199774 utfärdades 1980 och B1 Re33209 gavs ut igen 1996. IGBT-driftsättet i fyrlagersanordningen (SCR) växlade till tyristordrift om kollektorströmmen översteg spärrströmmen, som kallas " hålla ström "i den välkända teorin om tyristorn.

Utvecklingen av IGBT kännetecknades av ansträngningarna att helt undertrycka tyristoroperationen eller låsningen i fyrlagersanordningen eftersom låsningen orsakade det dödliga enhetsfelet. IGBT-tekniken hade således fastställts när det fullständiga undertryckandet av den parasitära tyristorn låstes såsom beskrivs i det följande.

Hans W. Becke och Carl F. Wheatley utvecklade en liknande enhet, för vilken de lämnade in en patentansökan 1980, och som de kallade "power MOSFET with an anod region". Patentet hävdade att "ingen tyristorverkan sker under några driftsförhållanden". Enheten hade en övergripande liknande struktur som Baligas tidigare IGBT -enhet som rapporterades 1979, liksom en liknande titel.

A. Nakagawa et al. uppfann enhetsdesignkonceptet för icke-låsbara IGBT: er 1984. Uppfinningen kännetecknas av att enhetsdesignen ställer in enhetens mättnadsström under spärrströmmen, vilket utlöser parasitisk tyristor. Denna uppfinning realiserade fullständigt undertryckande av den parasitiska tyristorverkan, för första gången, eftersom den maximala kollektorströmmen begränsades av mättnadsströmmen och aldrig översteg spärrströmmen. Efter uppfinningen av enhetsdesignkonceptet för icke-låsbara IGBT, utvecklades IGBT snabbt, och utformningen av icke-låsbara IGBT blev en de facto-standard och patentet på icke-låsbara IGBT blev det grundläggande IGBT-patentet av verkliga enheter.

I det tidiga utvecklingsstadiet av IGBT försökte alla forskare att öka spärrströmmen i sig för att undertrycka spärren av parasitisk tyristor. Men alla dessa ansträngningar misslyckades eftersom IGBT kunde leda enormt stor ström. Framgångsrik undertryckning av spärren möjliggjordes genom att begränsa den maximala kollektorströmmen, som IGBT kunde utföra, under spärrströmmen genom att styra/minska mättnadsströmmen för den inneboende MOSFET. Detta var konceptet med IGBT utan låsning. “Beckes enhet” möjliggjordes av IGBT som inte kan låsas.

IGBT kännetecknas av dess förmåga att samtidigt hantera en hög spänning och en stor ström. Produkten av spänningen och strömtätheten som IGBT kan hantera uppnådde mer än 5 × 10 5 W/cm 2 , vilket långt överskred värdet, 2 × 10 5 W/cm 2 , för befintliga kraftenheter som bipolära transistorer och kraft MOSFET. Detta är en konsekvens av det stora säkra driftsområdet för IGBT. IGBT är den mest robusta och starkaste kraftenheten som någonsin utvecklats, vilket ger användarna enkel användning av enheten och förskjutna bipolära transistorer och till och med GTO: er . Denna utmärkta egenskap hos IGBT hade plötsligt framkommit när IGBT-systemet som inte låstes upprättades 1984 genom att lösa problemet med så kallad "låsning", som är den främsta orsaken till enhetsförstöring eller enhetsfel. Innan dess var de utvecklade enheterna mycket svaga och var lätta att förstöra på grund av "låsning".

Praktiska apparater

Praktiska anordningar som kan fungera över ett utökat strömintervall rapporterades först av B. Jayant Baliga et al. 1982. Den första experimentella demonstrationen av en praktisk diskret vertikal IGBT -enhet rapporterades av Baliga vid IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) det året. General Electric kommersialiserade Baligas IGBT -enhet samma år. Baliga infördes i National Inventors Hall of Fame för uppfinningen av IGBT.

En liknande uppsats lämnades också av JP Russel et al. till IEEE Electron Device Letter 1982. Ansökningarna för enheten ansågs initialt av kraftelektronikgemenskapen vara starkt begränsade av dess långsamma omkopplingshastighet och låsning av den parasitiska tyristorstrukturen som är inneboende i enheten. Emellertid demonstrerades det av Baliga och även av AM Goodman et al. 1983 att omkopplingshastigheten kunde justeras över ett brett intervall med hjälp av elektronbestrålning . Detta följdes av demonstration av driften av enheten vid förhöjda temperaturer av Baliga 1985. Framgångsrika ansträngningar för att undertrycka spärrningen av den parasitära tyristorn och skalningen av spänningsgraden för enheterna vid GE tillät introduktion av kommersiella enheter 1983 , som kan användas för en mängd olika applikationer. De elektriska egenskaperna hos GE: s enhet, IGT D94FQ/FR4, rapporterades i detalj av Marvin W. Smith under proceduren i PCI april 1984. Marvin W. Smith visade i figur 12 i förfarandet att avstängning över 10 ampere för grind motstånd på 5 kOhm och över 5 ampere för grindmotstånd på 1 kOhm begränsades genom att byta säkert arbetsområde även om IGT D94FQ/FR4 kunde leda 40 ampere kollektorström. Marvin W. Smith uppgav också att det säkra driftsområdet för växling begränsades av att parasitisk tyristor låste sig.

Fullständigt undertryckande av den parasitiska tyristorverkan och den resulterande IGBT-operationen som inte kan låsas för hela enhetsoperationsområdet uppnåddes av A. Nakagawa et al. 1984. Designkonceptet som inte kan hakas in lämnades in för amerikanska patent. För att testa avsaknaden av låsning var prototypen 1200 V IGBT direkt anslutna utan belastning över en 600 V konstant spänningskälla och var påslagen i 25 mikrosekunder. Hela 600 V tappades över enheten och en stor kortslutningsström flödade. Enheterna klarade framgångsrikt detta allvarliga tillstånd. Detta var den första demonstrationen av så kallad "kortslutning-motstå-kapacitet" i IGBT. IGBT-drift utan låsning garanterades för första gången för hela enhetsdriftsområdet. I denna bemärkelse förverkligades den icke-låsbara IGBT som föreslogs av Hans W. Becke och Carl F. Wheatley av A. Nakagawa et al. 1984. Produkter av IGBT-apparater som inte kan låsas kommersialiserades först av Toshiba 1985. Detta var den verkliga födelsen av nuvarande IGBT.

När väl icke-låsningskapaciteten hade uppnåtts i IGBT fann man att IGBT uppvisade mycket robust och ett mycket stort säkert arbetsområde . Det visades att produkten av arbetsströmtätheten och kollektorspänningen översteg den teoretiska gränsen av bipolära transistorer, 2 x 10 5 W / cm 2 , och nådde 5 x 10 5 W / cm 2 .

Isoleringsmaterialet är vanligtvis tillverkat av fasta polymerer som har problem med nedbrytning. Det finns utvecklingar som använder en jongel för att förbättra tillverkningen och minska den spänning som krävs.

Första generationens IGBT på 1980-talet och början av 1990-talet var benägna att misslyckas genom effekter som låsning (där enheten inte stängs av så länge strömmen flödar) och sekundär nedbrytning (där en lokal hotspot i enheten går in i termisk springande och bränner ut enheten vid höga strömmar). Andra generationens enheter förbättrades mycket. Den nuvarande tredje generationens IGBT är ännu bättre, med MOSFET- hastigheter med hög hastighet och utmärkt robusthet och tolerans för överbelastning. Extremt höga pulsvärden för andra och tredje generationens enheter gör dem också användbara för att generera stora effektpulser i områden inklusive partikel- och plasmafysik , där de börjar ersätta äldre enheter som tyratroner och utlösta gnistgap . Höga pulsvärden och låga priser på överskottsmarknaden gör dem också attraktiva för högspänningshobbyisterna för att styra stora mängder ström för att driva enheter som Tesla-spolar och spolpistoler .

Patentfrågor

Enheten som föreslogs av JD Plummer 1978 (US Patent Re 33209) är samma struktur som en tyristor med en MOS -grind. Plummer upptäckte och föreslog att enheten kan användas som en transistor även om enheten fungerar som en tyristor i högre strömtäthet. JD Plummer rapporterade detta i sitt tekniska dokument: "A MOS-Controlled Triac Device" BW Scharf och JD Plummer, 1978 IEEE International Solid-State Circuits Conference, SESSION XVI FAM 16.6. Den enhet som föreslås av JD Plummer kallas här "Plummers enhet." Å andra sidan föreslog Hans W. Becke 1980 en annan enhet där tyristorverkan elimineras under alla driftsförhållanden, även om den grundläggande enhetsstrukturen är densamma som den som föreslogs av JD Plummer. Enheten som utvecklats av Hans W. Becke kallas här för “Beckes enhet” och beskrivs i US Patent 4364073. Skillnaden mellan ”Plummers enhet” och ”Beckes enhet” är att ”Plummers enhet” har sättet tyristorverkan i sin driftsområde och ”Beckes enhet” har aldrig tyristorverkan i hela sitt driftsintervall. Detta är en kritisk punkt, eftersom tyristorverkan är densamma som så kallad "låsning". ”Låsning” är huvudorsaken till dödligt enhetsfel. Teoretiskt sett inser ”Plummers enhet” aldrig en robust eller stark kraftenhet som har ett stort säkert arbetsområde. Det stora säkra arbetsområdet kan uppnås först efter att ”låsning” helt har undertryckts och eliminerats i hela enhetens driftsområde. Emellertid avslöjade Beckes patent (US Patent 4364073) inga åtgärder för att realisera verkliga enheter.

Trots att Beckes patent beskriver en liknande struktur som Baligas tidigare IGBT -enhet, betalade flera IGBT -tillverkare licensavgiften för Beckes patent. Toshiba kommersialiserade "icke-låst IGBT" 1985. Stanford University insisterade 1991 på att Toshibas enhet kränkte USA: s patent RE33209 på "Plummer's device". Toshiba svarade att "IGBT-enheter som inte kan låsas" aldrig hakade på i hela enhetens driftsområde och därmed inte kränkte det amerikanska patentet RE33209 av "Plummer's patent". Stanford University svarade aldrig efter november 1992. Toshiba köpte licensen för ”Beckes patent” men betalade aldrig någon licensavgift för ”Plummers enhet”. Andra IGBT -tillverkare betalade också licensavgiften för Beckes patent.

Ansökningar

Från och med 2010 är IGBT den näst mest använda effekttransistorn , efter kraften MOSFET. IGBT står för 27%av effekttransistormarknaden, näst efter kraften MOSFET (53%) och före RF -förstärkaren (11%) och bipolär övergångstransistor (9%). IGBT används i stor utsträckning inom konsumentelektronik , industriteknik , energisektorn , elektronik och flygindustri och transport .

Fördelar

IGBT kombinerar de enkla grindrivningsegenskaperna för effekt-MOSFET: er med högström och låg mättnadsspänning hos bipolära transistorer . IGBT kombinerar en isolerad- FET för styringången och en bipolär effekttransistor som en switch i en enda enhet. IGBT används i medelstora till högeffektsapplikationer som strömförsörjningar med switchat läge , dragmotorkontroll och induktionsvärme . Stora IGBT-moduler består typiskt av många enheter parallellt och kan ha mycket höga strömhanteringsmöjligheter i storleksordningen hundratals ampere med blockeringsspänningar på 6500 V . Dessa IGBT kan styra belastningar på hundratals kilowatt .

Jämförelse med power MOSFET

En IGBT har ett betydligt lägre spänningsfall framåt jämfört med ett konventionellt MOSFET i enheter med högre spänningsspänning, även om MOSFETS uppvisar mycket lägre framspänning vid lägre strömtätheter på grund av frånvaron av en diod Vf i IGBT: s utgång BJT. När blockeringsspänningsgraden för både MOSFET och IGBT-enheter ökar måste djupet i n-drift-regionen öka och dopningen måste minska, vilket resulterar i ungefär kvadratisk minskning av framåtriktad kontra blockerande spänningsförmåga hos enheten. Genom att injicera minoritetsbärare (hål) från kollektor-p+ -regionen i n-driftområdet under framåtriktad ledning reduceras motståndet i n-driftområdet avsevärt. Denna resulterande minskning av framåtspänning i tillstånd kommer dock med flera straff:

  • De extra PN -övergångarna blockerar omvänd strömflöde. Detta innebär att till skillnad från en MOSFET kan IGBT inte utföra i omvänd riktning. I bryggkretsar, där omvänd strömflöde behövs, placeras en extra diod (kallad frihjulsdiod ) parallellt (faktiskt antiparallell ) med IGBT för att leda ström i motsatt riktning. Straffet är inte alltför allvarligt eftersom vid högre spänningar, där IGBT -användning dominerar, har diskreta dioder en betydligt högre prestanda än kroppsdioden hos en MOSFET.
  • Omvänd förspänningsgrad för N-drift-regionen till kollektor P+ -diod är vanligtvis bara på tiotals volt, så om kretsapplikationen applicerar en omvänd spänning på IGBT måste en ytterligare seriediod användas.
  • De minoritetsbärare som injiceras i N-drift-regionen tar tid att komma in och ut eller återkombinera vid start och avstängning. Detta resulterar i längre omkopplingstider och därmed högre omkopplingsförlust jämfört med en MOSFET -effekt.
  • On-state framspänningsfallet i IGBT uppför sig mycket annorlunda än power MOSFETS. MOSFET -spänningsfallet kan modelleras som ett motstånd, med spänningsfallet proportionellt mot strömmen. Däremot har IGBT en diodliknande spänningsfall (typiskt av storleksordningen 2V) ökar endast med loggen av strömmen. Dessutom är MOSFET -motståndet vanligtvis lägre för mindre blockeringsspänningar, så valet mellan IGBT och power MOSFETS beror på både blockeringsspänningen och strömmen som är involverad i en viss applikation.

I allmänhet gynnar högspänning, hög ström och låga omkopplingsfrekvenser IGBT medan lågspänning, medelström och höga omkopplingsfrekvenser är MOSFET: s domän.

IGBT -modeller

Kretsar med IGBT kan utvecklas och modelleras med olika kretssimulerande datorprogram som SPICE , Sabre och andra program. För att simulera en IGBT -krets måste enheten (och andra enheter i kretsen) ha en modell som förutsäger eller simulerar enhetens svar på olika spänningar och strömmar på sina elektriska terminaler. För mer exakta simuleringar kan effekten av temperatur på olika delar av IGBT ingå i simuleringen. Två vanliga metoder för modellering är tillgängliga: enhets fysik -baserade modell, ekvivalenta kretsar eller macromodels. SPICE simulerar IGBT med hjälp av en makromodell som kombinerar en ensemble av komponenter som FET och BJT i en Darlington -konfiguration . En alternativ fysikbaserad modell är Hefner-modellen, introducerad av Allen Hefner från National Institute of Standards and Technology . Hefners modell är ganska komplex som har visat mycket bra resultat. Hefners modell beskrivs i ett papper från 1988 och utökades senare till en termoelektrisk modell som inkluderar IGBT: s svar på intern uppvärmning. Denna modell har lagts till i en version av Sabre -simuleringsprogrammet.

IGBT -felmekanismer

IGBT: s misslyckande mekanismer inkluderar överbelastning (O) och slitning (wo) separat.

Avbrottsfelen inkluderar främst förspänningstemperaturinstabilitet (BTI), varm bärarinjektion (HCI), tidsberoende dielektrisk nedbrytning (TDDB), elektromigration (ECM), lödtrötthet, materialrekonstruktion, korrosion. Överbelastningsfelet inkluderar främst elektrostatisk urladdning (ESD), låsning, lavin, sekundär uppdelning, upphäftning av trådbindningar och utbrändhet.

IGBT -moduler

Se även

Referenser

Vidare läsning

externa länkar