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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

。UAASKA-04DSM11;USAFED-03CS2K;USAGED-20AS25;USAREM-02CEM3K;UAJPEE-08DK2KU;SGM-02A312B;SGM-A3B312;SGM-A5B312;SGM-A2C312;SGM-A3AF12 ;

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”。

原理编辑

方法

IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数

值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降,转换成

一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,同一个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。

导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似,主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1),其中一个MOSFET驱动两个双极器件

。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产

生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。最后的结果是,在半导体层次内临

时出现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET 电流); 一个空穴电流(双极)。

关断

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入N-区内。在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在N层内还存在

少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低,完全取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种因素有关,如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形

,集电极电流引起以下问题:功耗升高;交叉导通问题,特别是在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此,根据所达到的温度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。

阻断与闩锁

SGMAS-A5ACA2C;SGMAS-01ACA2C;SGMAS-02ACA21;SGMG-09A2A;SGME-01AF14;SGM-01A314;SGMAH-01BAA4C;SGM-02B314;SGMAS-06ACA2C;SGMAS-07ARB-AB11;

当集电极被施加一个反向电压时, J1 就会受到反向偏压控制,耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度,将无法取得一个有效的阻断能力,所以,这个机制十分重要。另一方面,如果过

大地增加这个区域尺寸,就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。

当栅极和发射极短接并在集电子施加一个正电压时,P/N J3结受反向电压控制,此时,仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管(如图1所示)。在特殊条件下,这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加,对等效MOSFET的控制能力降低,通常还会引起

器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁,具体地说,这种缺陷的原因互不相同,与器件的状态有密切关系。通常情况下,静态和动态闩锁有如下主要区别:

当晶闸管全部导通时,静态闩锁出现,只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象,有必要采取以下措施:防止NPN部分接通,分别改

变布局和掺杂级别,降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外,闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响,因此,它与结温的关系也非常密切;在结温和增益提高的情况下,P基区的电阻率会升

高,破坏了整体特性。因此,器件制造商必须注意将集电极***电流值与闩锁电流之间保持一定的比例,通常比例为1:5。

发展历史编辑

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

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。

研发进展编辑

IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为新型电力半导体场控自关断器件,集功率MOSFET的高速性能与双极件的低电阻于一体,具有输进阻抗高,电压控制功耗低,控制电路简单,耐高压,承受电流大等特

性,在各种电力变换中获得极广泛的应用。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、低本钱技术,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新

进展。 [3]

1、低功率IGBT

IGBT应用范围一般都在600V、1KA、1KHz以上区域,为满足家电行业的发展需求,摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品,实用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子整流器、照相

机等产品的应用。

2、U-IGBT

U(沟槽结构)--IGBT是在管芯上刻槽,芯片元胞内部形成沟槽式栅极。采用沟道结构后,可进一步缩小元胞尺寸,减少沟道电阻,进步电流密度,制造相同额定电流而芯片尺寸最少的产品。现有多家公

司生产各种U—IGBT产品,适用低电压驱动、表面贴装的要求。

3、NPT-IGBT

NPT(非穿通型)--IGBT采用薄硅片技术,以离子注进发射区代替高复杂、高本钱的厚层高阻外延,可降低生产本钱25%左右,耐压越高本钱差越大,在性能上更具有特色,高速、低损耗、正温度系数,

无锁定效应,在设计600—1200V的IGBT时,NPT—IGBT可靠性***。西门子公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V高压IGBT,并推出低饱和压降DLC型NPT—IGBT,依克赛斯、哈里斯、英特西尔

、东芝等公司也相继研制出NPT—IGBT及其模块系列,富士电机、摩托罗拉等在研制之中,NPT型正成为IGBT发展方向。

4、SDB--IGBT

鉴于目前厂家对IGBT的开发非常重视,三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接键合)技术,在IC生产线上制作高速IGBT及模块系列产品,特点为高速,低饱和压降,低拖尾电流,正温度系数易于并

联,在600V和1200V电压范围性能优良,分为UF、RUF两大系统。

5、超快速IGBT

国际整流器IR公司的研发重点在于减少IGBT的拖尾效应,使其能快速关断,研制的超快速IGBT可***限度地减少拖尾效应,关断时间不超过2000ns,采用特殊高能照射分层技术,关断时间可在100ns以下

,拖尾更短,重点产品专为电机控制而设计,现有6种型号,另可用在大功率电源变换器中。

6、IGBT/FRD

IR公司在IGBT基础上推出两款结合FRD(快速恢复二极管)的新型器件,IGBT/FRD有效结合,将转换状态的损耗减少20%,采用TO—247外型封装,额定规格为1200V、25、50、75、100A,用于电机驱动和

功率转换,以IGBT及FRD为基础的新技术便于器件并联,在多芯片模块中实现更均匀的温度,进步整体可靠性。

7、IGBT功率模块

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,进步系统效率,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发展热门。

对比编辑

输出特性与转移特性:

IGBT的伏安特性是指以栅极电压VGE为参变量时,集电极电流IC与集电极电压VCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性与BJT的输出特性相似,也可分为饱和区I、放大区II和击穿区III三部分。IGBT作为开关

器件稳态时主要工作在饱和导通区。IGBT的转移特性是指集电极输出电流IC与栅极电压之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同,当栅极电压VGE小于开启电压VGE(th)时,IGBT处于关断状态。在

IGBT导通后的大部分集电极电流范围内,IC与VGE呈线。

IGBT与MOSFET的对比:

MOSFET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***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。

检测编辑

判断极性

首先将万用表拨在R×1KΩ挡,用万用表测量时,若某一极与其它两极阻值为无穷大,调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大,则判断此极为栅极(G )其余两极再用万用表测量,若测得阻值为无穷

大,调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中,则判断红表笔接的为集电极(C);黑表笔接的为发射极(E)。

判断好坏

将万用表拨在R×10KΩ挡,用黑表笔接IGBT 的集电极(C),红表笔接IGBT 的发射极(E),此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极(G)和集电极(C),这时IGBT 被触发导通,万用表的指针摆向

阻值较小的方向,并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E),这时IGBT 被阻断,万用表的指针回零。此时即可判断IGBT 是好的。

检测注意事项

任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。注意判断IGBT 好坏时,一定要将万用 表拨在R×10KΩ挡,因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT 导通,而无法判断IGBT 的好

坏。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管(P-MOSFET)的好坏。

前IGBT的主要品牌有,飞兆(又名仙童 快捷)三菱、富士、东芝、三社、三垦、西门康、英飞凌,IR。IGBT是绝缘栅双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor),它是八十年代初诞生,九十

年代迅速发展起来的新型复合电力电子器件。

IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身,既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型,又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。 西门康 三肯 英飞凌,东芝在1200V的单管上性能不错,但

其价格一般都相比飞兆高出10%左右,飞兆公司先后收购了三星、intersil公司的IGBT事业部,技术不容质疑,所以不论从价格和性能都是不错的选择。 另外近年来IGBT模块技术越来越成熟,西门康,

东芝,富士的IPM(Intelligent Power Module)发展迅速,在变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电等应用领域是一种非常理想的方案。飞兆的SPM(SMART POWER MODULES)已经从2002

年投入研发,现在已经是发展到产品,其模块已经被东芝变频空调和海信大量采用,在600V的IGBT模块处于领导地位。

相对来说,国内品牌较少,主要是斯达、银茂、比亚迪这几大品牌,占比不到三成。整体来看, 目前国内外差距明显。

目前IGBT的主要品牌有,飞兆(又名仙童、快捷)三菱、富士、东芝、三社、三垦、西门康、英飞凌,IR。IGBT是绝缘栅双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor),它是八十年代初诞生,

九十年代迅速发展起来的新型复合电力电子器件。

IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身,既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型,又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。 西门康 三肯 英飞凌,东芝在1200V的单管上性能不错,但其价

格一般都相比飞兆高出10%左右,飞兆公司先后收购了三星、intersil公司的IGBT事业部,技术不容质疑,所以不论从价格和性能都是不错的选择。 另外近年来IGBT模块技术越来越成熟,西门康,东芝

,富士的IPM(Intelligent Power Module)发展迅速,在变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电等应用领域是一种非常理想的方案。飞兆的SPM(SMART POWER MODULES)已经从2002年投

入研发,现在已经是发展到产品,其模块已经被东芝变频空调和海信大量采用,在600V的IGBT模块处于领导地位。

变频器品牌:

进口的有,日系:东芝,三菱,日立,安川,富士,欧美的:西门子,ABB,AB,丹佛斯,施耐德,SEW,轮次,科比,台湾的有,台达,东元,台安,国产的有英威腾,汇川,

PLC四大品牌:西门子,施耐德,AB(罗克韦尔),GE。

中型PLC:西门子,施耐德,欧姆龙,三菱。

小型PLC:西门子,欧姆龙,三菱,LS,松下,富士....

PLC常用品牌

康卓PLC 西门子PLC

欧姆龙PLC 施耐德PLC

三菱PLC AB PLC

罗克韦尔PLC 台达PLC

和利时PLC 爱默生PLC

PLC不常用品牌

GE PLC

淅大中控PLC

易达中山智达PLC

江苏信捷PLC控制柜南大傲拓PLC

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日产人机界面 三菱,欧姆龙,松下,富士,,,其中三菱居多

台湾人机界面 台达,海泰客

国内品牌:(如信捷、台达、威纶通、步科、研华、昆仑通态等);国外品牌(如西门子、施耐德、三菱电机、欧姆龙、罗克韦尔、北尔电子、普洛菲斯、光洋等