功率管集锦

编辑本段定义IGBT（Insula tedGa te Bipolar Transis tor）,绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT（双 极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）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OIGBT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 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。编辑本段工作特性静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。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。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0.71V ； 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。动态特性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。d(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 (f 1)和t (f2)两段组成，而漏极电流的关断时间t(off)二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34V，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lum以下制作工艺，研制开发取得 一 些新进展。编辑本段发展历史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， 而由于它要求对少数载流子寿命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12001800A/18003300V, IPM除用于变频调速夕卜，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 件构成之夕 ,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。编辑本段输出特性与转移特性IGBT与MOSFET的对比MOSEFT全称功率场效应晶体管。它的三个极分别是源极 (S)、漏极(D)和栅极(G)。主要优点：热稳定性好、安全工作区大。缺点：击穿 电压低，工作电流小。IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和GTR(功率晶 管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。特点： 击穿电压可达1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器 件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz。编辑本段模块简介IGBT是Insula ted Ga te Bipolar Transis tor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET,输 出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率 小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率 特性 介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现 代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占 据了主导地位。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP 晶体管的集电 极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若 IGBT 的栅极和发 射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体 管截止。IGBT与MOSFET 样也是电压控制型器件，在它的栅极一发射极间施加 十几V的直流电压，只 有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。编辑本段等效电路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2030V。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10KQ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535C，常湿的规定在4575%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。