IGBT模块

发布时间:2022-09-09 13:22
作者:Ameya360
来源:网络
阅读量:2369

  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由(Bipolar Junction Transistor,BJT)双极型三极管和绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor,MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管(Giant Transistor,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。

IGBT模块

工作结构

  左边所示为一个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(即发射极E)。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-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(即集电极C)。

  IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP(原来为NPN)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-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-层的空穴(少子),对N-层进行电导调制,减小N-层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。

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工作特性

  静态特性

  IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性。

  IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大。它与GTR 的输出特性相似.也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ,正向电压由J2 结承担,反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT 的某些应用范围。

  IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。

  动态特性

  动态特性又称开关特性,IGBT的开关特性分为两大部分:一是开关速度,主要指标是开关过程中各部分时间;另一个是开关过程中的损耗。

  IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时,由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时,通态电压Uds(on) 可用下式表示::

  Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

  式中Uj1 —— JI 结的正向电压,其值为0.7 ~1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻。

  通态电流Ids 可用下式表示:

  Ids=(1+Bpnp)Imos

  式中Imos ——流过MOSFET 的电流。

  由于N+ 区存在电导调制效应,所以IGBT 的通态压降小,耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ~ 3V 。IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。

  IGBT 在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET 来运行的,只是在漏源电压Uds 下降过程后期, PNP 晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间,tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和,漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。

  IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行触发,不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

  IGBT在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后,PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟时间,trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间

  t(off)=td(off)+trv十t(f)

  式中:td(off)与trv之和又称为存储时间。

  IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3~4V,和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低。

  正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求;高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV以上,目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件,德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域。与此同时,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。2013年9月12日 我国自主研发的高压大功率3300V/50A IGBT(绝缘栅双极型晶体管)芯片及由此芯片封装的大功率1200A/3300V IGBT模块通过专家鉴定,中国自此有了完全自主的IGBT“中国芯”。


应用及设计

  作为电力电子重要大功率主流器件之一,IGBT已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。在工业应用方面,如交通控制、功率变换、工业电机、不间断电源、风电与太阳能设备,以及用于自动控制的变频器。在消费电子方面,IGBT用于家用电器、相机和手机。

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如何选择IGBT?

  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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