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igbt模块
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:713
 
  igbt(insulated gate bipolar transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由bjt(双极型三极管)和mos()组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;mosfet驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 图1所示为一个n 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, n 区称为源区,附于其上的电极称为源极。n 区称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的p 型区(包括p 和p 一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区( subchannel region )。而在漏区另一侧的p 区称为漏注入区( drain injector ),它是igbt 特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成pnp 双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 igbt 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给pnp 晶体管提供基极电流,使igbt 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使igbt 关断。igbt 的驱动方法和mosfet 基本相同,只需控制输入极n一沟道mosfet ,所以具有高输入阻抗特性。当mosfet 的沟道形成后,从p 基极注入到n 一层的空穴(少子),对n 一层进行电导调制,减小n 一层的电阻,使igbt 在高电压时,也具有低的通态电压。

igbt模块的选择

  igbt模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当igbt模块集电极电流增大时,所产生的额定损耗亦变大。同时,开关损耗增大,使原件发热加剧,因此,选用igbt模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热加剧,选用时应该降等使用。

使用中的注意事项

  由于igbt模块为mosfet结构,igbt的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般达到20~30v。因此因静电而导致栅极击穿是igbt失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点:
 
  在使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸; 在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块; 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。
 
  此外,在栅极—发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使igbt发热及至损坏。
 
  在使用igbt的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则igbt就会损坏,为防止此类故障,应在栅极与发射极之间串接一只10kω左右的电阻。
 
  在安装或更换igbt模块时,应十分重视igbt模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻,最好在散热器与igbt模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇,当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致igbt模块发热,而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查,一般在散热片上靠近igbt模块的地方安装有温度感应器,当温度过高时将报警或停止igbt模块工作。

保管时的注意事项

  一般保存igbt模块的场所,应保持常温常湿状态,不应偏离太大。常温的规定为5~35℃ ,常湿的规定在45~75%左右。在冬天特别干燥的地区,需用加湿机加湿; 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合; 在温度发生急剧变化的场所igbt模块表面可能有结露水的现象,因此igbt模块应放在温度变化较小的地方; 保管时,须注意不要在igbt模块上堆放重物; 装igbt模块的容器,应选用不带静电的容器。
 
  igbt模块由于具有多种优良的特性,使它得到了快速的发展和普及,已应用到电力电子的各方各面。因此熟悉igbt模块性能,了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。
 

发展历史

  1979年,mos栅功率开关器件作为igbt概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构(p-n-p-n四层组成),其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了v形槽栅。
 
  80年代初期,用于功率mosfet制造技术的dmos(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到igbt中来。[2]在那个时候,硅芯片的结构是一种较厚的npt(非穿通)型设计。后来,通过采用pt(穿通)型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进,这是随着硅片上外延的技术进步,以及采用对应给定阻断电压所设计的n 缓冲层而进展的[3]。几年当中,这种在采用pt设计的外延片上制备的dmos平面栅结构,其设计规则从5微米先进到3微米。
 
  90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的igbt,它是采用从大规模集成(lsi)工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺,但仍然是穿通(pt)型芯片结构。[4]在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。
 
  硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变,先是采用非穿通(npt)结构,继而变化成弱穿通(lpt)结构,这就使安全工作区(soa)得到同表面栅结构演变类似的改善。
 
  这次从穿通(pt)型技术先进到非穿通(npt)型技术,是最基本的,也是很重大的概念变化。这就是:穿通(pt)技术会有比较高的载流子注入系数,而由于它要求对进行控制致使其输运效率变坏。另一方面,非穿通(npt)技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率,不过其载流子注入系数却比较低。进而言之,非穿通(npt)技术又被软穿通(lpt)技术所代替,它类似于某些人所谓的“软穿通”(spt)或“电场截止”(fs)型技术,这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。
 
  1996年,cstbt(载流子储存的沟槽栅双极晶体管)使第5代igbt模块得以实现[6],它采用了弱穿通(lpt)芯片结构,又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前,包括一种“反向阻断型”(逆阻型)功能或一种“反向导通型”(逆导型)功能的igbt器件的新概念正在进行研究,以求得进一步优化。
 
  igbt功率模块采用ic驱动,各种驱动保护电路,高性能igbt芯片,新型封装技术,从复合功率模块pim发展到智能功率模块ipm、电力电子积木pebb、电力模块ipem。pim向高压大电流发展,其产品水平为1200—1800a/1800—3300v,ipm除用于变频调速外,600a/2000v的ipm已用于电力机车vvvf逆变器。平面低电感封装技术是大电流igbt模块为有源器件的pebb,用于舰艇上的导弹发射装置。ipem采用共烧瓷片多芯片模块技术组装pebb,大大降低电路接线电感,提高系统效率,现已开发成功第二代ipem,其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为igbt发展热点。
 
  现在,大电流高电压的igbt已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的igbt专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。
 
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