Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ( IGBT ) ist ein dreipoliges Leistungshalbleiterbauelement, das primär als elektronischer Schalter dient. Er wurde entwickelt, um hohe Effizienz mit schnellem Schalten zu kombinieren. Er besteht aus vier alternierenden NPNP-Schichten [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] , die durch eine Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) -Gatestruktur gesteuert werden .

Obwohl der IGBT topologisch einem Thyristor mit MOS - Gate ( MOS-Gate-Thyristor ) ähnelt, ist die Thyristorwirkung vollständig unterdrückt, und im gesamten Betriebsbereich ist ausschließlich die Transistorwirkung zulässig. Er wird in Schaltnetzteilen für Hochleistungsanwendungen eingesetzt : Frequenzumrichter ( FU ) zur Motorsteuerung in Zügen , Elektroautos , drehzahlvariablen Kühlschränken und Klimaanlagen sowie Lampenvorschaltgeräte, Lichtbogenschweißgeräte , Photovoltaik- und Hybridwechselrichter , unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV) und Induktionsherde .

Da der IGBT für schnelles Ein- und Ausschalten ausgelegt ist, kann er komplexe Signalformen mit Pulsweitenmodulation und Tiefpassfiltern erzeugen und wird daher auch in Schaltverstärkern von Audioanlagen und industriellen Steuerungssystemen eingesetzt . Moderne IGBTs erreichen in Schaltanwendungen Pulsfolgefrequenzen im Ultraschallbereich, die mindestens zehnmal höher sind als die Audiofrequenzen, die sie als analoge Audioverstärker verarbeiten. Im Jahr 2010 war der IGBT nach dem Leistungs-MOSFET der am zweithäufigsten verwendete Leistungstransistor .

IGBT-Vergleichstabelle [ 5 ]
Gerätecharakteristik Leistungs- BJTLeistungs-MOSFETIGBT
Nennspannung Hoch <1 kV Hoch <1 kV Sehr hoch >1 kV
Aktuelle Bewertung Hoch <500 A Niedrig <200 A Hoch >500 A
Eingangstreiber Aktuelles Verhältnis h FE ~ 20–200 Spannung V GS ~ 3–10 V Spannung V GE ~ 4–8 V
Eingangsimpedanz Niedrig Hoch Hoch
Ausgangsimpedanz Niedrig Medium Niedrig
Schaltgeschwindigkeit Langsam (μs) Schnell (ns) Medium
Kosten Niedrig Medium Hoch

Gerätestruktur

Querschnitt eines typischen IGBT, der die interne Verbindung von MOSFET und Bipolarbauelement zeigt.

Eine IGBT-Zelle ist ähnlich aufgebaut wie ein n-Kanal- Leistungs-MOSFET in vertikaler Bauweise , mit dem Unterschied, dass der n+-Drain durch eine p+-Kollektorschicht ersetzt wird. Dadurch entsteht ein vertikaler PNP- Bipolartransistor . Diese zusätzliche p+-Zone ermöglicht eine Kaskadenschaltung des PNP-Bipolartransistors mit dem oberflächenorientierten n-Kanal- MOSFET . Die gesamte Struktur besteht aus einem vierlagigen NPNP-Transistor. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

Geschichte

Der Bipolartransistor mit Punktkontakt wurde im Dezember 1947 [ 6 ] in den Bell Telephone Laboratories von John Bardeen und Walter Brattain unter der Leitung von William Shockley erfunden . Die Sperrschichtversion, bekannt als Bipolartransistor (BJT), wurde 1948 von Shockley entwickelt. [ 7 ] Später, im Jahr 1950, schlug William Shockley einen ähnlichen Thyristor vor, der 1956 von Energietechnikern bei General Electric (GE) weiterentwickelt wurde. Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) wurde später zwischen 1959 und 1960 in den Bell Labs erfunden. [ 8 ] [ 9 ]

Die grundlegende IGBT-Betriebsweise, bei der ein pnp-Transistor von einem MOSFET angesteuert wird, wurde erstmals von K. Yamagami und Y. Akagiri von Mitsubishi Electric im japanischen Patent S47-21739 vorgeschlagen, das 1968 eingereicht wurde. [ 10 ]

Statische Kennlinie eines IGBT

1978 patentierten J. D. Plummer und B. Scharf einen NPNP-Transistor, der MOS- und Bipolar-Eigenschaften für die Leistungssteuerung und das Schalten vereinte. [ 11 ] [ 12 ] Die Entwicklung des IGBT war durch das Bestreben gekennzeichnet, den Thyristor-Betrieb, das sogenannte Latch-up , in dem vierlagigen Bauelement vollständig zu unterdrücken, da das Latch-up zur fatalen Selbstzerstörung des Bauelements führte. IGBTs hatten sich somit etabliert, als die vollständige Unterdrückung des Latch-up des parasitären Thyristors erreicht wurde. Später entwickelten Hans W. Becke und Carl F. Wheatley ein ähnliches Bauelement, das angeblich kein Latch-up aufwies. Sie patentierten das Bauelement 1980 und bezeichneten es als „Leistungs-MOSFET mit einer Anodenregion“, bei dem „unter keinen Betriebsbedingungen ein Thyristor-Betrieb auftritt“. [ 13 ] [ 14 ]

A. Nakagawa et al. entwickelten 1984 das Konzept für nicht-latch-up-IGBTs. [ 15 ] [ 16 ] Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Sättigungsstrom des Bauelements unterhalb des Latch-up-Stroms liegt, der den parasitären Thyristor auslöst. Durch diese Erfindung wurde erstmals die vollständige Unterdrückung der parasitären Thyristorwirkung erreicht, da der maximale Kollektorstrom durch den Sättigungsstrom begrenzt war und den Latch-up-Strom nie überschritt.

In der frühen Entwicklungsphase des IGBT zielte die Forschung darauf ab, den Latch-up-Strom selbst zu erhöhen, um das Latch-up des parasitären Thyristors zu unterdrücken. Alle diese Bemühungen scheiterten jedoch, da der IGBT einen enorm hohen Strom leiten konnte. Die erfolgreiche Unterdrückung des Latch-up gelang erst durch die Begrenzung des maximalen Kollektorstroms unterhalb des Latch-up-Stroms, indem der Sättigungsstrom des inhärenten MOSFET kontrolliert oder reduziert wurde. Dies war der Durchbruch für den Latch-up-freien IGBT, der wiederum die Entwicklung des „Becke-Bauelements“ ermöglichte.

Der IGBT zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, gleichzeitig hohe Spannungen und hohe Ströme zu verarbeiten. Das Produkt aus Spannung und Stromdichte, das der IGBT verarbeiten kann, erreicht mehr als 5 × 10⁶.5  W/cm² , [ 17 ] [ 18 ] was den Wert von 2 × 105  W/cm² , im Vergleich zu herkömmlichen Leistungshalbleitern wie Bipolartransistoren und Leistungs-MOSFETs. Dies ist auf den großen sicheren Arbeitsbereich des IGBT zurückzuführen. Der IGBT ist der robusteste und leistungsstärkste Leistungshalbleiter, der bisher entwickelt wurde. Er ist einfach zu handhaben und hat dadurch Bipolartransistoren und sogar Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTOs) verdrängt. Diese herausragende Eigenschaft des IGBT wurde 1984 mit der Entwicklung des Non-Latch-up-IGBTs deutlich, da das Problem des sogenannten „Latch-up“, der Hauptursache für die Zerstörung oder den Ausfall von Bauelementen, gelöst wurde. Zuvor waren die entwickelten Bauelemente sehr empfindlich und anfällig für Schäden durch „Latch-up“.

Praktische Geräte

Praktische Bauelemente, die in einem erweiterten Strombereich arbeiten können, wurden erstmals 1982 von B. Jayant Baliga et al. vorgestellt. [ 19 ] Die erste experimentelle Demonstration eines praktischen, diskreten vertikalen IGBT-Bauelements präsentierte Baliga im selben Jahr auf der IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). [ 20 ] [ 19 ] General Electric brachte Baligas IGBT-Bauelement im selben Jahr auf den Markt. [ 21 ] Baliga wurde für die Erfindung des IGBT in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen . [ 22 ]

Eine ähnliche Arbeit wurde 1982 von J. P. Russel et al. bei den IEEE Electron Device Letters eingereicht. [ 23 ] Die Anwendungsmöglichkeiten des Bauelements wurden von der Leistungselektronik- Community zunächst aufgrund seiner geringen Schaltgeschwindigkeit und des Latch-up-Effekts der parasitären Thyristorstruktur als stark eingeschränkt angesehen. Baliga und A. M. Goodman et al. zeigten jedoch 1983, dass die Schaltgeschwindigkeit durch Elektronenbestrahlung über einen weiten Bereich eingestellt werden kann . [ 24 ] [ 25 ] Baliga demonstrierte 1985 den Betrieb des Bauelements bei erhöhten Temperaturen. [ 26 ] Erfolgreiche Bemühungen zur Unterdrückung des Latch-up-Effekts des parasitären Thyristors und zur Skalierung der Spannungsfestigkeit der Bauelemente bei GE ermöglichten 1983 die Markteinführung kommerzieller Geräte [ 27 ] , die für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden konnten. Die elektrischen Eigenschaften des GE-Bauelements IGT D94FQ/FR4 wurden von Marvin W. Smith in den Proceedings der PCI im April 1984 detailliert beschrieben. [ 28 ] Smith zeigte in Abb. 12 der Proceedings, dass das Abschalten oberhalb von 10 Ampere bei einem Gatewiderstand von 5 kΩ und oberhalb von 5 Ampere bei einem Gatewiderstand von 1 kΩ durch den sicheren Schaltbereich begrenzt war, obwohl der IGT D94FQ/FR4 einen Kollektorstrom von 40 Ampere leiten konnte. Smith gab außerdem an, dass der sichere Schaltbereich durch das Latch-up des parasitären Thyristors begrenzt wurde.

Die vollständige Unterdrückung der parasitären Thyristorwirkung und der daraus resultierende verriegelungsfreie Betrieb von IGBTs über den gesamten Betriebsbereich wurde 1984 von A. Nakagawa et al. erreicht. [ 15 ] Das verriegelungsfreie Designkonzept wurde in den USA patentiert. [ 29 ] Um die Verriegelungsfreiheit zu testen, wurden die Prototyp-IGBTs mit 1200 V ohne Last direkt an eine 600-V-Konstantspannungsquelle angeschlossen und für 25 Mikrosekunden eingeschaltet. Die gesamte Spannung von 600 V fiel am Bauelement ab, und es floss ein hoher Kurzschlussstrom. Die Bauelemente überstanden diese extreme Belastung erfolgreich. Dies war der erste Nachweis der sogenannten Kurzschlussfestigkeit von IGBTs. Der verriegelungsfreie Betrieb von IGBTs wurde erstmals über den gesamten Betriebsbereich sichergestellt. [ 18 ] In diesem Sinne wurde der von Hans W. Becke und Carl F. Wheatley vorgeschlagene Non-Latch-Up-IGBT von A. Nakagawa et al. im Jahr 1984 realisiert. Produkte mit Non-Latch-Up-IGBTs wurden erstmals 1985 von Toshiba kommerzialisiert . Dies war die eigentliche Geburtsstunde des heutigen IGBT.

Nachdem die Latch-up-Fähigkeit bei IGBTs erreicht war, zeigte sich, dass diese eine sehr hohe Robustheit und einen sehr großen sicheren Arbeitsbereich aufwiesen . Es wurde nachgewiesen, dass das Produkt aus Betriebsstromdichte und Kollektorspannung den theoretischen Grenzwert von Bipolartransistoren (2 × 10⁻⁶) überstieg.5  W/cm² und erreichte 5 × 105  W/ cm² . [ 17 ] [ 18 ]

Das Isoliermaterial besteht typischerweise aus festen Polymeren, die anfällig für Degradation sind. Es gibt Entwicklungen, die ein Ionengel verwenden , um die Herstellung zu verbessern und die benötigte Spannung zu reduzieren. [ 30 ]

Die IGBTs der ersten Generation aus den 1980er und frühen 1990er Jahren waren anfällig für Ausfälle durch Effekte wie Latch-up (bei dem das Bauelement so lange nicht abschaltet, wie Strom fließt) und sekundären Durchschlag (bei dem ein lokaler Hotspot im Bauelement zu einem thermischen Durchgehen führt und das Bauelement bei hohen Strömen zerstört). Die zweite Generation war deutlich verbessert. Die aktuellen IGBTs der dritten Generation sind nochmals leistungsfähiger: Sie erreichen Geschwindigkeiten, die mit Leistungs-MOSFETs vergleichbar sind , und zeichnen sich durch hervorragende Robustheit und Überlasttoleranz aus. [ 17 ] Dank ihrer extrem hohen Impulsbelastbarkeit eignen sich die Bauelemente der zweiten und dritten Generation auch zur Erzeugung großer Leistungsimpulse in Bereichen wie der Teilchen- und Plasmaphysik , wo sie ältere Bauelemente wie Thyratrons und getriggerte Funkenstrecken zunehmend ablösen . Die hohe Impulsbelastbarkeit und die niedrigen Preise auf dem Gebrauchtmarkt machen sie zudem für Hochspannungsbastler attraktiv, die damit große Leistungsmengen steuern und beispielsweise Halbleiter- Tesla-Spulen und Coilguns betreiben möchten .

Anwendungen

Stand 2010 war der IGBT nach dem Leistungs-MOSFET der am zweithäufigsten eingesetzte Leistungstransistor . Mit einem Marktanteil von 27 % lag der IGBT an zweiter Stelle hinter dem Leistungs-MOSFET (53 %) und vor dem HF-Verstärker (11 %) und dem Bipolartransistor (9 %). [ 31 ] Der IGBT findet breite Anwendung in der Unterhaltungselektronik , der Industrietechnik , im Energiesektor , in der Luft- und Raumfahrt sowie im Transportwesen .

Vorteile

Der IGBT vereint die einfache Gate-Ansteuerung von Leistungs-MOSFETs mit der hohen Strombelastbarkeit und niedrigen Sättigungsspannung von Bipolartransistoren . Er kombiniert einen isolierten Gate- FET für den Steuereingang und einen Bipolartransistor als Schalter in einem einzigen Bauelement. IGBTs werden in Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung eingesetzt, beispielsweise in Schaltnetzteilen , Traktionsmotorsteuerungen und induktiven Heizsystemen . Große IGBT-Module bestehen typischerweise aus vielen parallelgeschalteten Bauelementen und erreichen sehr hohe Strombelastbarkeiten im Bereich von mehreren hundert Ampere bei Sperrspannungen von 6500 V. Diese IGBTs können Lasten von mehreren hundert Kilowatt steuern .

Vergleich mit Leistungs-MOSFETs

Ein IGBT weist im Vergleich zu einem herkömmlichen MOSFET bei höheren Sperrspannungen einen deutlich geringeren Durchlassspannungsabfall auf. MOSFETs zeigen jedoch bei niedrigeren Stromdichten eine wesentlich geringere Durchlassspannung, da im Ausgangs-BJT des IGBT keine Diode Vf vorhanden ist. Mit steigender Sperrspannung von MOSFETs und IGBTs muss die Tiefe der n-Driftzone zunehmen und die Dotierung abnehmen, was zu einem annähernd quadratischen Abfall der Durchlassspannung in Abhängigkeit von der Sperrspannung führt. Durch die Injektion von Minoritätsträgern (Löchern) aus der p+-dotierten Kollektorzone in die n-Driftzone während des Durchlassbetriebs wird der Widerstand der n-Driftzone erheblich reduziert. Diese resultierende Reduzierung der Durchlassspannung ist jedoch mit einigen Nachteilen verbunden:

  • Der zusätzliche PN-Übergang verhindert den Rückstrom. Das bedeutet, dass IGBTs im Gegensatz zu MOSFETs nicht in Sperrrichtung leiten können. In Brückenschaltungen, in denen Rückstrom benötigt wird, wird eine zusätzliche Diode (Freilaufdiode ) antiparallel zum IGBT geschaltet, um den Strom in die entgegengesetzte Richtung zu leiten. Dieser Nachteil ist nicht allzu gravierend, da diskrete Dioden bei höheren Spannungen, in denen IGBTs überwiegend eingesetzt werden, eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit als die Body-Diode eines MOSFETs aufweisen.
  • Die Sperrspannung der Diode zwischen N-Driftzone und Kollektor P+ beträgt üblicherweise nur einige zehn Volt. Wenn die Schaltungsanwendung eine Sperrspannung an den IGBT anlegt, muss eine zusätzliche Seriendiode verwendet werden.
  • Die in die N-Driftzone injizierten Minoritätsträger benötigen beim Ein- und Ausschalten Zeit zum Ein- und Austritt bzw. zur Rekombination. Dies führt zu längeren Schaltzeiten und somit zu höheren Schaltverlusten im Vergleich zu einem Leistungs-MOSFET.
  • Der Durchlassspannungsabfall von IGBTs verhält sich deutlich anders als der von Leistungs-MOSFETs. Der Spannungsabfall bei MOSFETs lässt sich als Widerstand modellieren, wobei der Spannungsabfall proportional zum Strom ist. Im Gegensatz dazu weist der IGBT einen diodenähnlichen Spannungsabfall auf (typischerweise in der Größenordnung von 2 V), der nur mit dem Logarithmus des Stroms ansteigt. Darüber hinaus ist der Widerstand von MOSFETs typischerweise bei kleineren Sperrspannungen geringer, sodass die Wahl zwischen IGBTs und Leistungs-MOSFETs sowohl von der Sperrspannung als auch vom Strom der jeweiligen Anwendung abhängt.

Im Allgemeinen eignen sich hohe Spannungen, hohe Ströme und niedrige Frequenzen für den IGBT, während niedrige Spannungen, mittlere Ströme und hohe Schaltfrequenzen das Gebiet des MOSFET sind.

Modellieren

Schaltungen mit IGBTs lassen sich mithilfe verschiedener Schaltungssimulationsprogramme wie SPICE , Saber und anderen entwickeln und modellieren . Zur Simulation einer IGBT-Schaltung benötigt man ein Modell für das Bauelement (und andere Bauelemente in der Schaltung), das dessen Reaktion auf verschiedene Spannungen und Ströme an den Anschlüssen vorhersagt oder simuliert. Für präzisere Simulationen kann der Temperatureinfluss auf verschiedene Bereiche des IGBT berücksichtigt werden. Zwei gängige Modellierungsmethoden stehen zur Verfügung: bauelementphysikalische Modelle und Ersatzschaltungen oder Makromodelle. SPICE simuliert IGBTs mithilfe eines Makromodells, das verschiedene Komponenten wie FETs und BJTs in Darlington-Konfiguration kombiniert . Ein alternatives bauelementphysikalisches Modell ist das Hefner-Modell, das von Allen Hefner vom National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelt wurde . Hefners Modell ist relativ komplex, liefert aber gute Ergebnisse. Hefners Modell wurde in einer Veröffentlichung aus dem Jahr 1988 beschrieben und später zu einem thermoelektrischen Modell erweitert, das die Reaktion des IGBT auf interne Erwärmung berücksichtigt. Dieses Modell wurde in eine Version der Simulationssoftware Saber integriert. [ 32 ]

IGBT-Versagensmechanismen

Zu den Ausfallmechanismen von IGBTs gehören Überbeanspruchung (O) und Verschleiß (wo) jeweils separat.

Zu den Verschleißausfällen zählen hauptsächlich Bias-Temperatur-Instabilität (BTI), Heißladungsträgerinjektion (HCI), zeitabhängiger dielektrischer Durchschlag (TDDB), Elektromigration (ECM), Lötstellenermüdung, Materialrekonstruktion und Korrosion. Zu den Überbeanspruchungsausfällen zählen hauptsächlich elektrostatische Entladung (ESD), Latch-up, Lawineneffekt, Sekundärdurchschlag, Drahtbondablösung und Burnout. [ 33 ]

IGBT-Fehlerbewertung

Die Ausfallanalyse von IGBTs gewinnt in verschiedenen Anwendungsbereichen, in denen IGBTs weit verbreitet sind (z. B. Transport, Telekommunikation, Computer), zunehmend an Bedeutung für die vorausschauende Instandhaltung . Aufgrund der physikalischen und statistischen Komplexität des Problems stellt sie eine besondere Herausforderung dar. Es ist noch nicht erwiesen, dass sich die physikalischen Ausfallprinzipien uneingeschränkt auf IGBTs übertragen lassen, während datengetriebene Modelle hochwertige Daten zu IGBT-Ausfällen benötigen, deren Beschaffung oft kostspielig ist. Angesichts dieser Herausforderungen nutzen die meisten modernen Ausfallanalysemodelle hybride Ansätze, die physikalische Ausfallprinzipien und datengetriebene Modelle kombinieren. [ 34 ] [ 35 ]

  • IGBT-Modul (IGBTs und Freilaufdioden) mit einem Nennstrom von 1200 A und einer maximalen Spannung von 3300 V
    IGBT-Modul (IGBTs und Freilaufdioden ) mit einem Nennstrom von 1200 A und einer maximalen Spannung von 3300 V
  • Geöffnetes IGBT-Modul mit vier IGBTs (Hälfte einer H-Brücke), ausgelegt für 400 A und 600 V
    Opened IGBT module with four IGBTs (half of H-bridge) rated for 400 A600 V
  • Infineon IGBT-Modul, ausgelegt für 450 A, 1200 V
    Infineon IGBT module rated for 450 A1200 V
  • Kleines IGBT-Modul, Nennstrom bis 30 A, Nennspannung bis 900 V
    Small IGBT module, rated up to 30 A, up to 900 V
  • Detailansicht des Inneren eines Mitsubishi Electric CM600DU-24NFH IGBT-Moduls mit einer Nennleistung von 600 A und 1200 V, die die IGBT-Chips und Freilaufdioden zeigt.
    Detail of the inside of a Mitsubishi Electric CM600DU-24NFH IGBT module rated for 600 A1200 V, showing the IGBT dies and freewheeling diodes

See also

References

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Weiterführende Literatur