IGBT晶圆在新能源汽车充电桩领域的应用

发布时间：2022-09-21 10:07
作者：Ameya360
来源：网络
阅读量：3033

　　新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括四大类型混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。

IGBT晶圆在新能源汽车充电桩领域的应用

　　新能源电动汽车充电桩其功能类似于加油站里面的加油机，可以固定在地面或墙壁，安装于公共建筑（公共楼宇、商场、公共停车场等）和居民小区停车场或充电站内，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。新能源电动汽车充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。

       新能源电动汽车充电桩一般提供常规充电和快速充电两种充电方式，人们可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面上刷卡使用，进行相应的充电方式、充电时间、费用数据打印等操作，新能源电动汽车充电桩显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。

　　IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术,被誉为绿色能源的“核芯”。

　　目前国内的晶闸管、晶圆片部分二极管、防护器件等仍以4寸线为主流；平面可控硅芯片、肖特基二极管、IGBT模块配套用高电压大通流整流芯片，低电容、低残压等保护器件芯片和部分MOSFET等以6寸线为主流。

　　电动汽车使用到IGBT的装置主要有五项(包含逆变器、直流/交流电变流器、车载充电器、电力监控系统以及其他附属系统)，其中，逆变器、直流/交流电变流器以及车载充电器对电动汽车性能表现影响最为关键；IGBT是影响电动车性能的关键技术，其成本占整车成本的5%左右。

　　由工采网代理的台湾茂矽电子推出的IGBT晶圆 - P81MV020NL0011P是一款1200V、25A、FS工艺的6寸IGBT晶圆片；1200V壕沟和现场停止技术；低开关损耗；正温度系数；简单的平行技术。广泛应用在中等功率驱动器、1200V光伏、电焊机、工业缝纫机、伺服马达等等领域。


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　　IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种高性能、高速度的功率半导体器件，是MOSFET和普通双极晶体管的集成体。IGBT融合了MOSFET的驱动特性和双极晶体管的低导通压降等优点，具有高效、低损耗和大电流承载能力等特点。IGBT广泛应用于各种电力电子设备中，如变频器、交流调速电机、UPS电源等。　　1. IGBT的工作原理　　IGBT的结构复杂，但其工作原理却比较简单。IGBT由PNP型双极晶体管和N型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET组成，并在两者之间加入了隔离层，以实现双极晶体管和MOSFET的有机结合。IGBT的主要工作原理如下：　　当IGBT的栅极施加正向电压时，会形成一个N型导通区，从而允许集电极和发射极之间的电流通过。　　反之，当栅极施加反向电压时，则不允许电流通过。　　在IGBT的工作过程中，当控制信号施加到栅极时，将会引起PNP晶体管的导通。在这种情况下，集电极和发射极之间的电流可通过，在控制信号撤回后，IGBT会自动关闭，此时不会通过任何电流。　　2. IGBT的作用和功能　　IGBT拥有多种特性，其主要作用和功能如下：　　(1) 控制电流　　IGBT具有单向导通特性，可控制电路的开关状态。当IGBT的栅极施加正向电压时，允许电流通过;反之，则不允许电流通过。这使得IGBT可以很好地控制电流大小和方向。　　(2) 降低功率损耗　　由于IGBT的导通电阻比双极晶体管低，开关速度又比MOSFET快，因此，IGBT具有较低的导通损耗和开关损耗。这使得IGBT成为高效、低损耗的功率半导体器件。　　(3) 承载大电流　　IGBT的承载电流能力较强，可达300A以上。同时，IGBT具有良好的热稳定性和抗击穿能力，可以在高温和高电压环境下工作，保证设备的安全运行。　　(4) 广泛应用　　IGBT广泛应用于各种电力电子设备中，如变频器、交流调速电机、UPS电源等。其稳定性和高效性的特点被广泛认可，并得到了市场的追捧。　　IGBT是一种重要的功率半导体器件，具有控制电流、降低功率损耗、承载大电流等多种特点。其广泛应用于各种电力电子设备中，为产业的发展和进步做出了重要贡献。
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　　在储能技术高速发展的今天，更强的发电与蓄电能力，更高的能源管理效率，更稳定的输送能力都是相关企业追求的方向，这就需要功能更强的IGBT来满足当前储能技术的高需求，而第七代IGBT的出现，正好契合当前储能的发展需要。　　第7代IGBT正加速发展　　IGBT的发展可以追溯至20世纪80年代，最初的IGBT采用了平面穿通(PT)，这种IGBT通过重掺杂的P+衬底开始，但是存在负温度系数、通态压降一致性差等问题，不利于并联使用。尽管如此，它开启了IGBT在电力电子领域的应用。       随着时间的推移，IGBT经历了多次迭代，从非穿通( NPT)结构到场截止( FS)结构的转变，栅极结构也从平面型转向沟槽型(Trench)。这些改进逐步提升了IGBT的性能，包括降低导通压降、缩短开关时间、提高断态电压等，这也是IGBT从第二代到第五代的变化。       到了第六代，IGBT进一步优化了沟槽结构和场截止技术，显著提高了电流密度和能效，降低了开关损耗，同时在高温工作表现上有了显著提升。       而在2018年前后，市场中开始推出的第七代IGBT，引入了微沟槽栅+场截止(Micro Pattern Trench)技术，这是IGBT技术的一次重大飞跃。第七代IGBT的特点包括更高的沟道密度、优化的元胞设计、更低的寄生电容，以及在极端开关速度(如5kV/μs)下仍能保持最佳性能。这使得IGBT7在降低静态损耗、提高开关速度、增强高温工作能力等方面达到新的高度，特别适合于高性能的电动汽车、可再生能源系统和高压直流输电等应用。       其中微沟槽技术能够改善载流子传输特性，从而在不牺牲开关速度的情况下降低静态损耗。这意味着在相同工作条件下，第七代IGBT能更高效地转换电能，减少发热。并且相比第六代IGBT，第七代的静态损耗降低了约30%，这对于提升系统能效和减少冷却需求至关重要。       此外，有数据显示，在相同封装体积下，第七代IGBT的电流输出能力增加了50%以上，这得益于更高的电流密度，使得设备小型化成为可能，或者在不改变体积的前提下提高系统的功率输出。       并且，第七代IGBT也满足了电子行业对更高效率、更小尺寸、更高功率密度和更低损耗的需求。第七代IGBT技术通过实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V，大幅提升了IGBT的性价比。       举个例子，在储能系统中使用第七代IGBT，可以设计出发电和蓄电能力更强的系统，提高能源管理效率，增强储存能力，从而更平稳地将太阳能电力并网到电网中。此外，通过第七代IGBT设计的模块还支持将多余的电力储存在储能系统中，有效缓解太阳能发电的间歇性问题，确保供电的可靠性和稳定性。　　七代IGBT赋能储能产业　　由于七代IGBT的优秀表现，已经有越来越多的企业将这款产品用在储能领域。比如近期上能电气采用了英飞凌IGBT7 EconoDUAL™3实现单机2MW储能变流器PCS，这是使用了英飞凌最新的EconoDUAL 3封装的750A 1200V模块，型号为FF750R12ME7_B11。       而EH-2000-HA-UD采用的FF750R12ME7，这是一款1200V/750A的IGBT模块，芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与英飞凌上一代IGBT4技术不同，IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术，沟道密度更高，芯片厚度更薄，元胞结构及间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现了最佳开关性能。       此外，在近期，安森美也发布了第七代1200V QDual3 IGBT功率模块。与其他同类产品相比，该模块的功率密度更高，且提供高10%的输出功率。       据安森美介绍，该800A QDual3模块基于新的场截止第七代(FS7)IGBT技术，应用于150KW的逆变器中时，QDual3模块的损耗比同类最接近的竞品少200W，从而缩减散热器尺寸，适合用于太阳能发电站中央逆变器、储能系统、商用农业车辆和工业电机驱动器等大功率变流器。       国内也有许多企业相继推出了七代IGBT，如斯达半导体，在2022年便推出了基于第七代微沟槽技术的新一代车规级IGBT芯片，产品型号包括650V/750V/1200V IGBT芯片，采用第七代微沟槽Trench Field Stop技术，可实现面积减小20%、芯片厚度从120微米减少到80微米、导通压降从1.7V降到1.4V。       此外如贝茵凯也在2023年末研发出了全系列第七代IGBT芯片，并成功实现大批量生产，成功突破国产化领域的技术壁垒。这款第七代IGBT产品在性能方面显著优于同类中采用传统制程的IGBT芯片，有效解决了导通损耗与开关损耗难以平衡的问题，具备低导通损耗与低开关损耗的双重优势，适用频率范围也得以拓宽，最高适用频率从15kHz-20kHz提升至30kHz-40kHz。       目前该产品已经通过多家行业领军企业的严格测试与认证，并已在电动汽车、风力发电、光伏逆变器及高端化学储能等领域实现小规模供应。       韦尔股份近期也新获得了一项实用新型专利授权，专利名为“一种新型沟槽IGBT结构”，该专利提供了一种新型沟槽IGBT结构，该结构通过减少栅极接触孔的方式，将对应的栅极沟槽中的多晶硅转变成第一发射极沟槽的多晶硅，从而减小栅极电容，使器件开通速度变快，降低开通损耗。而新型沟槽正是七代IGBT的显著特点。       此外如新洁能、振华科技、安建科技等都已经在第七代IGBT中有所建树，为中国乃至全球的新能源汽车、光伏储能、工业控制等领域提供了先进的功率半导体解决方案。　　小结　　在国际上，安森美等欧美日企业凭借其深厚的技术积累和资金实力，在第七代IGBT技术开发及商业化方面走在前列。而中国IGBT企业如斯达半导、新洁能等也在加速追赶，成功研发并推出了第七代IGBT产品，标志着国内企业在IGBT核心技术上的重大突破。尤其储能产业的快速发展，也为七代IGBT提供了巨大的应用市场，反过来七代IGBT也加速了储能市场的发展。
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　　碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体的应用日益增多，然而，在这些新技术出现之前，许多高功率应用都是使用高效、可靠的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，事实上，许多此类应用仍然适合继续使用 IGBT。在本文中，我们介绍 IGBT 器件的结构和运行，并列举多种不同 IGBT 应用的电路拓扑结构，然后探讨这种多用途可靠技术的新兴拓扑结构。　　IGBT 器件结构简而言之，IGBT 是由 4 个交替层 (P-N-P-N) 组成的功率半导体晶体管，通过施加于金属氧化物半导体 (MOS) 栅极的电压进行控制。这一基本结构经过逐渐调整和优化后，可降低开关损耗，且器件厚度更薄。近期推出的 IGBT 将沟槽栅与场截止结构相结合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行为。该方法有助于降低器件的饱和电压和导通电阻，从而提升整体功率密度。　　应用与拓扑结构如今，IGBT 通常用于特定应用的拓扑结构，下面列举了其中的几种。　　焊接机如今许多焊接机使用逆变器，而非传统的焊接变压器，因为直流输出电流可以提高焊接过程的控制精度。使用逆变器还有其他优势，比如直流电流比交流电流安全，而且采用逆变器的焊接机具有更高的功率密度，因此重量更轻。功率级(单相或三相)将交流输入电压转换为逆变器的直流母线电压。输出电压通常为 30 V，但一旦启动焊弧，在开路负载操作几乎低至 0 V 的情况下(短路条件)，输出电压可能高达 60 V DC。　　　焊接逆变器中常用的拓扑结构包括全桥、半桥和双管正激，而恒定电流是最常用的控制方案。占空比因负载电平和输出电压而异。全桥和半桥拓扑结构的 IGBT 开关频率通常在 20 至 50 kHz 之间。　　电磁炉电磁炉的原理是，当高磁导率材质的锅靠近线圈时，通过励磁线圈推动(或耦合)锅内的电流循环。其运行方式与变压器大致相同，其中线圈负责初级侧，电磁炉底部负责次级侧。产生的大部分热量来源于锅底层形成的涡电流循环。这些系统的能量传输效率约为 90%，而顶部光滑的无感电器装置的能效仅为 71%，相比之下，(对于同量热传递)前者可节省大约 20% 的能量。逆变器将电流导入铜线圈，从而产生电磁场，电磁场穿透锅底，形成电流。产生的热量遵循焦耳效应公式，即锅的电阻乘以感应电流的平方。　　　对于电磁炉，比较重要的要求包括：　　高频开关　　功率因数接近一　　宽负载范围　　感应加热应用的输出功率控制通常基于可变频率方案。这是一种根据负载或线路频率变化来应用的基本方法。然而，该方法存在一个主要缺点：若要在宽范围内控制输出功率，频率需要大幅变化。　　感应加热最常用的拓扑结构基于谐振回路。谐振转换器的主要优势是高开关频率范围，同时能效不会降低。谐振转换器采用零电流开关 (ZCS) 或零电压开关 (ZVS) 等控制技术来降低功率损耗。谐振半桥 (RHB) 转换器和准谐振 (QR) 逆变器是备受欢迎的拓扑结构。RHB 结构的优势包括负载工作范围大，并且能够提供超高功率。　　QR 转换器的主要优势是成本较低，因此非常适合低至中功率范围(峰值功率高达 2 kW)、工作频率介于 20 至 35 kHz 之间的应用。　　电机驱动半桥转换器 (HB) 是电机驱动应用中一种最常见的拓扑结构，频率介于 2kHz 至 15kHz 之间。HB 输出电压取决于开关状态和电流极性。　　　考虑到电感负载，电流随后会增加。如果负载汲取正电流 (Ig>0)，它将流经 T1，为负载提供能量 (Vg)。相反，如果负载电流 Ig 为负，电流经由 D 流回，将能量返回至直流电源。同样，如果 T4 开通(且 T1 关闭)，会有 −Vbus/2 的电压施加于负载，且电流会减小。如果 Ig 为正，电流流经 D4，将能量返回至母线电源。　　适合IGBT应用的多电压等级拓扑结构快速开关给 HB 拓扑结构带来的局限性包括：　　只有两个输出电压等级　　无源和有源元件受到应力　　高开关损耗　　栅极驱动难度加大　　纹波电流升高　　EMI变高　　电压处理(无法与高电压母线结合使用)　　器件串联增加了实施工作的复杂性　　难以达到热平衡　　高滤波要求　　为了摆脱这些局限性，在不间断电源 (UPS) 和太阳能逆变器等应用中，采用新的多电压等级拓扑结构。常见结构包括单极性开关 I 型和 T 型转换器，它们能够在较高的母线电压下工作。随着可用输出状态增多，滤波器元件之间的电压相应减小，因此滤波损耗也更低，元件更小。开关损耗有所降低，而导通损耗则小幅增加(适合 16kHz - 40kHz 的较高频率，可达到约 98% 的高能效)。　　IGBT 的未来尽管 IGBT 已经问世很多年，但该技术仍是许多高电压和电流应用的理想之选。IGBT 不仅越来越多地应用于传统设计，还应用于新设计，因为新推出的器件在不断地推动 Vcesat 降低至 1V，并通过新型结构来提高电流密度和开关损耗。若要在使用 IGBT 的过程中获得最大效益，一个关键因素是先了解应用要求，然后选择合适的电路拓扑结构加以实施。
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IGBT与MOSFET的区别
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　　IGBT和MOSFET是当今电子领域中常见的功率半导体器件，它们在电力控制、变换器等领域发挥着重要作用。虽然两者在某些方面有相似之处，但在结构、工作原理和应用场景上存在明显差异。　　1.结构差异　　IGBT：IGBT是一种混合型半导体器件，结合了双极型晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)的优点。其结构包括PNP型双极晶体管结构和场效应晶体管的栅极。通过加在栅极上的电压信号来控制器件的导通和截止。　　MOSFET：MOSFET是一种场效应晶体管，由金属氧化物半导体结构组成。其主要部分包括栅极、漏极和源极，通过栅极电场控制沟道的导电性，实现器件的导通与截止。　　2.工作原理差异　　IGBT：IGBT的开关速度相对较慢，主要由栅极驱动电路决定。当栅极施加正向电压时，激活PNP晶体管，形成导通;当施加负向电压或零电压时，晶体管截止。　　MOSFET：MOSFET具有较快的开关速度，由于栅极电场可以控制电流流经的沟道，因此具有较低的导通电阻。当栅极施加正向电压时，激活沟道导通;当栅极施加负向电压或零电压时，沟道截止。　　3.特性比较　　3.1 耗散功率　　IGBT：在高功率应用中具有较高的耗散能力，适用于大功率交流调制。　　MOSFET：具有较低的开关损耗和导通电阻，适用于高频开关电源。　　3.2 开关速度　　IGBT：开关速度较慢，适用于低频调制及大功率应用。　　MOSFET：开关速度较快，适用于高频开关电源和高速开关应用。　　3.3 结构复杂性　　IGBT：相对MOSFET而言结构较为复杂，包含双极型晶体管结构。　　MOSFET：结构简单，易于集成和制造。　　3.4 环境适应性　　IGBT：具有较强的耐压和耐热性，适用于高温高压环境下的应用。　　MOSFET：对于温度和电压波动较为敏感，需配合保护电路使用。　　3.5 应用领域　　IGBT：广泛应用于电力变换器、电机驱动、逆变器等大功率应用领域。　　MOSFET：主要应用于功率放大、开关电源、模拟电路等低功率高频应用领域。　　4.适用场景比较　　4.1 电力控制　　IGBT：在大功率电力控制系统中得到广泛应用，如变频调速、电力传输等。　　MOSFET：在低功率电力控制系统中具有优势，如开关电源、电池管理等。　　4.2 温度要求　　IGBT：耐高温性较强，适用于高温环境下的电力控制系统。　　MOSFET：对温度敏感，适用于一般温度环境下的应用。　　4.3 频率要求　　IGBT：适用于低频调制，如电机驱动等需要稳定输出的场景。　　MOSFET：适用于高频开关电源、射频功率放大器等需要快速响应的场景。　　4.4 体积和效率　　IGBT：由于结构复杂，通常体积较大，但在大功率情况下具有高效率。　　MOSFET：体积小巧，适合集成化设计，提高系统效率。　　4.5 成本考量　　IGBT：相对MOSFET而言，价格更低廉，适合大功率应用场景。　　MOSFET：价格略高，但在低功率高频应用中性能更为出色。　　IGBT和MOSFET作为电子领域中重要的功率半导体器件，各自具有独特的特性和适用场景。IGBT在大功率、低频电力控制领域具有优势，而MOSFET则在低功率、高频应用中表现较为突出。
2024-03-19 11:23 阅读量：1007
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