IGBT模塊

IGBT模塊的寫法

IGBT模塊介紹

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。圖1所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+和P一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannelregion）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Draininjector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴（少子），對(duì)N一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

選擇

IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時(shí)，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。

用途

IGBT模塊是先進(jìn)的第三代功率模塊，工作頻率1-20KHZ，主要應(yīng)用在變頻器的主回路逆變器及一切逆變電路，即DC/AC變換中。例電動(dòng)汽車、伺服控制器、UPS、開關(guān)電源、斬波電源、無軌電車等。問世迄今有十年多歷史，幾乎已替代一切其它功率器件，例SCR、GTO、GTR、MOSFET，雙極型達(dá)林頓管等,目今功率可高達(dá)1MW的低頻應(yīng)用中，單個(gè)元件電壓可達(dá)4.0KV（PT結(jié)構(gòu)）—6.5KV（NPT結(jié)構(gòu)），電流可達(dá)1.5KA，是較為理想的功率模塊。

追其原因是第三代IGBT模塊，它是電壓型控制，輸入阻抗大，驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，開關(guān)損耗小，通斷速度快，工作頻率高，元件容量大等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)質(zhì)是個(gè)復(fù)合功率器件，它集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體化。又因先進(jìn)的加工技術(shù)使它通態(tài)飽和電壓低，開關(guān)頻率高（可達(dá)20KHZ），這兩點(diǎn)非常顯著的特性，最近西門子公司又推出低飽和壓降（2.2V）的NPT—IGBT性能更佳，相繼東芝、富士、IR、摩托羅拉亦已在開發(fā)研制新品種。

IGBT模塊發(fā)展趨向是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠、低成本為目標(biāo)的，特別是發(fā)展高壓變頻器的應(yīng)用，簡(jiǎn)化其主電路，減少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，簡(jiǎn)化調(diào)試工作等，都與IGBT有密切的內(nèi)在聯(lián)系，所以世界各大器件公司都在奮力研究、開發(fā)，予估近2-3年內(nèi)，會(huì)有突破性的進(jìn)展。目今已有適用于高壓變頻器的有電壓型HV-IGBT，IGCT，電流型SGCT等。

使用

由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)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(diǎn)：

在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸；在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊；盡量在底板良好接地的情況下操作。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極額定電壓，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(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

此外，在柵極—發(fā)射極間開路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于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(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。

在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。

在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)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(yīng)器，當(dāng)溫度過高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。

保管要點(diǎn)

一般保存IGBT模塊的場(chǎng)所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5～35℃，常濕的規(guī)定在45～75％左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕;盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合；在溫度發(fā)生急劇變化的場(chǎng)所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方；保管時(shí)，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物；裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。

IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時(shí)的注意事項(xiàng)對(duì)實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。