igbt模塊

複合全控型電壓驅動式功率半導體器件

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極體)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。

簡介


IGBT非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

發展歷史


1979年,MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被介紹到世間。這種器件表現為一個類晶閘管的結構(P-N-P-N四層組成),其特點是通過強鹼濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。
80年代初期,用於功率MOSFET製造技術的DMOS(雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體)工藝被採用到IGBT中來。在那個時候,硅晶元的結構是一種較厚的NPT(非穿通)型設計。後來,通過採用PT(穿通)型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進,這是隨著矽片上外延的技術進步,以及採用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩衝層而進展的。幾年當中,這種在採用PT設計的外延片上製備的DMOS平面柵結構,其設計規則從5微米先進到3微米。
90年代中期,溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT,它是採用從大規模集成(LSI)工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝,但仍然是穿通(PT)型晶元結構。在這種溝槽結構中,實現了在通態電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。
硅晶元的重直結構也得到了急劇的轉變,先是採用非穿通(NPT)結構,繼而變化成弱穿通(LPT)結構,這就使安全工作區(SOA)得到同表面柵結構演變類似的改善。
這次從穿通(PT)型技術先進到非穿通(NPT)型技術,是最基本的,也是很重大的概念變化。這就是:穿通(PT)技術會有比較高的載流子注入係數,而由於它要求對少數載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面,非穿通(NPT)技術則是基於不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率,不過其載流子注入係數卻比較低。進而言之,非穿通(NPT)技術又被軟穿通(LPT)技術所代替,它類似於某些人所謂的“軟穿通”(SPT)或“電場截止”(FS)型技術,這使得“成本—性能”的綜合效果得到進一步改善。
1996年,CSTBT(載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管)使第5代IGBT模塊得以實現,它採用了弱穿通(LPT)晶元結構,又採用了更先進的寬元胞間距的設計。包括一種“反向阻斷型”(逆阻型)功能或一種“反嚮導通型”(逆導型)功能的IGBT器件的新概念正在進行研究,以求得進一步優化。
IGBT功率模塊採用IC驅動,各種驅動保護電路,高性能IGBT晶元,新型封裝技術,從複合功率模塊PIM發展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發展,其產品水平為1200—1800A/1800—3300V,IPM除用於變頻調速外,600A/2000V的IPM已用於電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB,用於艦艇上的導彈發射裝置。IPEM採用共燒瓷片多晶元模塊技術組裝PEBB,大大降低電路接線電感,提高系統效率,現已開發成功第二代IPEM,其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發展熱點。
大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,已製造出集成化的IGBT專用驅動電路。其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。

選擇方法


選擇

IGBT模塊的電壓規格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關。其相互關係見下表。使用中當IGBT模塊集電極電流增大時,所產生的額定損耗亦變大。同時,開關損耗增大,使原件發熱加劇,因此,選用IGBT模塊時額定電流應大於負載電流。特別是用作高頻開關時,由於開關損耗增大,發熱加劇,選用時應該降等使用。

測量

靜態測量:把萬用表放在乘100檔,測量黑表筆接1端子、紅表筆接2端子,顯示電阻應為無窮大; 表筆對調,顯示電阻應在400歐左右。用同樣的方法,測量黑表筆接3端子、紅表筆接1端子, 顯示電阻應為無窮大;表筆對調,顯示電阻應在400歐左右。若符合上述情況表明此IGBT的兩個單元沒有明顯的故障. 動態測試: 把萬用表的檔位放在乘10K檔,用黑表筆接4端子,紅表筆接5端子,此時黑表筆接3端子紅表筆接1端子, 此時電阻應為300-400歐,把表筆對調也有大約300-400歐的電阻表明此IGBT單元是完好的. 用同樣的方法測試1、2端子間的IGBT,若符合上述的情況表明該IGBT也是完好的。將萬用表撥在R×10KΩ擋,用黑表筆接IGBT 的漏極(D),紅表筆接IGBT 的源極(S),此時萬用表的指針指在無窮處。用手指同時觸及一下柵極(G)和漏極(D),這時IGBT 被觸發導通,萬用表的指針擺向阻值 較小的方向,並能站住指示在某一位置。然後再用手指同時觸及一下源極(S)和柵極(G),這時IGBT 被阻 斷,萬用表的指針回到無窮處。此時即可判斷IGBT 是好的。注意:若進第二次測量時,應短接一下源極(S)和柵極(G)。任何指針式萬用表皆可用於檢測IGBT。注意判斷IGBT 好壞時,一定要將萬用表撥在R×10KΩ擋,因R×1K Ω擋以下各檔萬用表內部電池電壓太低,檢測好壞時不能使IGBT 導通,而無法判斷IGBT 的好壞。

注意事項


由於IGBT模塊為MOSFET結構,IGBT的柵極通過一層氧化膜與發射極實現電隔離。由於此氧化膜很薄,其擊穿電壓一般達到20~30V。因此因靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點:
1. 在使用模塊時,盡量不要用手觸摸驅動端子部分,當必須要觸摸模塊端子時,要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后,再觸摸;
2. 在用導電材料連接模塊驅動端子時,在配線未接好之前請先不要接上模塊;
3. 盡量在底板良好接地的情況下操作。
在應用中有時雖然保證了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電壓,但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合,也會產生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此,通常採用雙絞線來傳送驅動信號,以減少寄生電感。在柵極連線中串聯小電阻也可以抑制振蕩電壓。
此外,在柵極—發射極間開路時,若在集電極與發射極間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由於集電極有漏電流流過,柵極電位升高,集電極則有電流流過。這時,如果集電極與發射極間存在高電壓,則有可能使IGBT發熱及至損壞。
在使用IGBT的場合,當柵極迴路不正常或柵極迴路損壞時(柵極處於開路狀態),若在主迴路上加上電壓,則IGBT就會損壞,為防止此類故障,應在柵極與發射極之間串接一隻10KΩ左右的電阻。
在安裝或更換IGBT模塊時,應十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態和擰緊程度。為了減少接觸熱阻,最好在散熱器與IGBT模塊間塗抹導熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇,當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導致IGBT模塊發熱,而發生故障。因此對散熱風扇應定期進行檢查,一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應器,當溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。
1. 一般保存IGBT模塊的場所,應保持常溫常濕狀態,不應偏離太大。常溫的規定為5~35℃ ,常濕的規定在45~75%左右。在冬天特別乾燥的地區,需用加濕機加濕;
2. 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合;
3. 在溫度發生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結露水的現象,因此IGBT模塊應放在溫度變化較小的地方;
4. 保管時,須注意不要在IGBT模塊上堆放重物;
5. 裝IGBT模塊的容器,應選用不帶靜電的容器。
6. 檢測IGBT模塊的的辦法。