IGBT使用详细资料

SolutionsofpowersystemIGBT的介绍及应用详细介绍IGBT性能及各种应用深圳市晴轩电子有限公司SunnyElectronicsCo.,Ltd目录第1章IGBT构造与特征第2章IGBT术语与特征第3章IGBT应用中的注意事项第4章IGBT发生故障时的应对方法第5章IGBT保护电路的设计方法第6章IGBT散热设计方法第7章IGBT门极驱动电路设计方法第8章IGBT并联连接第9章IGBT评价和测定方法第10章IGBT应用仿真软件的优点及介绍深圳市晴轩电子有限公司SunnyElectronicsCo.,Ltd深圳市晴轩电子有限公司SunnyElectronicsCo.,Ltd．元件的构造与特征………………………………………………1-22．IGBT芯片的发展…………………………………………………1-33．通过控制门极阻断过电流………………………………………1-64．限制过电流功能…………………………………………………1-65．模块的构造………………………………………………………1-76.模块的电路构造…………………………………………………1-8前言电动机可变速驱动装置和电子计算机的备用电源装置等电力变换器，随着双极型功率晶体管模块和功率MOSFET的出现，已经起了很大的变化。这些使用交换元件的各种电力变换器也随着近年来节能、设备小型化轻量化等要求的提高而急速地发展起来。但是，电力变换器方面的需求，并没有通过双极型功率晶体管模块和功率MOSFET得到完全的满足。双极型功率晶体管模块虽然可以得到高耐压、大容量的元件，但是却有交换速度不够快的缺陷。而功率MOSFET虽然交换速度足够快了，但是存在着不能得到高耐压、大容量元件等的缺陷。IGBT（JEDEC登录名称，绝缘栅双极晶体管）正是作为顺应这种要求而开发的，它作为一种既有功率MOSFET的高速交换功能又有双极型晶体管的高电压、大电流处理能力的新型元件，今后将有更大的发展潜力。1-2元件的构造与特征IGBT的构造和功率MOSFET的对比如图1-1所示。IGBT是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的，从而具有以下种种特征。1.1电压控制型元件IGBT的理想等效电路，正如图1-2所示，是对pnp双极型晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管。因此，在门极—发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，pnp晶体管的基极—集电极间就连接上了低电阻，从而使pnp晶体管处于导通状态。此后，使门极—发射极之间的电压为0V时，首先功率MOSFET处于断路状态，pnp晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。如上所述，IGBT和功率MOSFET一样，通过电压信号可以控制开通和关断动作。1-31.2耐高压、大容量IGBT和功率MOSFET同样，虽然在门极上外加正电压即可导通，但是由于通过在漏极上追加p+层，在导通状态下从p+层向n基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的通态电阻。解说（请参照图1-1阅读下面的解说）下面对通过IGBT可以得到低通态电压的原理进行简单说明。众所周知，功率MOSFET是通过在门极上外加正电压，使p基极层形成沟道，从而进入导通状态的。此时，由于n发射极（源极）层和n基极层以沟道为媒介而导通，MOSFET的漏极—源极之间形成了单一的半导体（如图1-1中的n型）。它的电特性也就成了单纯的电阻。该电阻越低，通态电压也就变得越低。但是，在MOSFET进行耐高压化的同时，n基极层需要加厚，（n基极层的作用是在阻断状态下，维持漏极—源极之间所外加的电压。因此，需要维持的电压越高，该层就越厚。）元件的耐压性能越高，漏极—源极之间的电阻也就增加。正因为如此，高耐压的功率MOSFET的通态电阻变大，无法使大量的电流顺利通过，因此实现大容量化非常困难。针对这一点，IGBT中由于追加了p+层，所以从漏极方面来看，它与n基极层之间构成了pn二极管。因为这个二极管的作用，n基极得到电导率调制，从而使通态电阻减小到几乎可以忽略的值。因此，IGBT与MOSFET相比，能更容易地实现大容量化。正如图1-2所表示的理想的等效电路那样，IGBT是pnp双极型晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片级联型Bi-MOS晶体管。此外，IGBT与双极型晶体管的芯片和功率MOSFET的芯片共同组合成的混合级联型Bi-MOS晶体管的区别就在于功率MOSFET部的通态电阻。在IGBT中功率MOSFET部的通态电阻变得其微小，再考虑到芯片间需要布线这一点，IGBT比混合级联型Bi-MOS晶体管优越。IGBT芯片技术的发展2.1IGBT-绝缘栅双极晶体管芯片的技术发展方向♦平面发展方向平面型------沟槽型------软沟槽型♦垂直发展方向穿透----非穿透----场终止(软穿透)♦芯片加工技术的发展.1-42.2IGBT芯片发展过程开关损耗VS饱和电压1-52.3TYCO使用的标准IGBT芯片♦芯片及模块容易并联正向温度系数,热量不会流失♦快速开关拖尾电流低,开关损耗低♦_耐用性强芯片本身限制短路电流NPT-IGBT2:(6~8)*Ic标称持续时间:10usTj=125ºCFS-IGBT3(1200V):4*Ic标称持续时间:10usTj=125ºCFS-IGBT3(600V):5*Ic标称持续时间:6usTj=150ºC@Vge=15V2.4TYCO使用的快速IGBT芯片1-6通过控制门极阻断过电流在IGBT的产品化中最大的课题是，在有过电流流过时，通过控制门极来阻断过电流（进行保护），从而使“在不破坏元件的情况下安全地实施”变得可能。IGBT的实际等效电路图如图1-5所示。这与图1-2的理想等效电路图不同，是由可控硅和功率MOSFET构成的。超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN4层结构，其等效电路如图1－5所示。体内存在一个寄生可控硅，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs，P型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电压降，对NPN基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，对NPN晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，流过Rs，产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁[2]。图1-5中，一旦可控硅触发，由于可控硅不会由于门极的阻断信号等而进行自动消弧，因此IGBT不可能关断，导致因过电流而破坏元件（这被称为“擎住效应”）。IGBT中，为了防止这种“擎住效应”，充分运用了以下的技术。1）采用难以产生“擎住效应”的构造（降低图1-5中基极－发射极间的电阻）。2）通过优化n缓冲层的厚度和不纯物浓度来控制pnp晶体管的hFE。3）通过导入降低寿命的因素来控制pnp晶体管的hFE。通过以上的技术，IGBT在能够维持充分保护过电流（短路）的最大耐受量的基础上，实现了高速交换、高耐压、大容量化，同时得到了产品化。限制过电流功能在IGBT的实际使用上，由于装置的短路事故等原因，会出现IGBT上有过电流流过的情况。一旦这种过电流持续流过，元件自身的温度急剧上升，从而形成永久性的破坏。通常情况，从这种过电流开始流过到造成破坏的时间用“短路最大耐受量”来表示。另外，过电流越小，相对应的短路最大耐受量就变得越高（长）。IGBT方面的设计，已经设定成IGBT自身能限制几倍于额定电流的短路事故时等的过电流，从而实现了在检测出过电流后能够加以充分保护的高短路最大耐受量。1-7模块的构造♦基板,封装及硅胶。基板。封装标准型：:氧化铝材料(CTI)高性能:型：氮化铝电气间隙及爬电距离符合国际电气隔离度高,热传导能力强，绝缘能力提高,热阻降低。硅胶防起泡绝缘能力提高防腐、防尘/1-8模块的电路构造Solutionsofpowersystem深圳市晴轩电子有限公司SunnyElectronicsCo.,Ltd第2章术语与特征目录1.术语说明……………………………………………………………2-22.IGBT模块的特性…………………………………………………..2-4本章对有关IGBT模块的术语与特性进行说明。㄀2ゴᴃ䇁Ϣ⡍ᗻ2-21ᴃ䇁䇈ᯢϟ䴶ᇍ䇈ᯢкㄝЁՓ⫼ⱘ৘⾡ᴃ䇁䖯㸠䇈ᯢDŽ㸼2-1㒱ᇍ᳔໻乱ᅮؐ˄AbsoluteMaximumRatings˅ᴃ䇁ヺোᅮНϢ䇈ᯢ˄ᴵӊ䇋খ✻৘⾡ѻકⱘ䇈ᯢкDŽ˅䲚⬉ᵕˉথᇘᵕ䯈ⱘ⬉य़(Collector-Emittervoltage)VCES೼䮼ᵕˉথᇘᵕП䯈໘Ѣⷁ䏃⢊ᗕᯊˈ䲚⬉ᵕ̣থᇘᵕ䯈㛑໳໪ࡴⱘ᳔໻⬉य़䮼ᵕˉথᇘᵕ䯈ⱘ⬉य़(Gate-Emittervoltage)VGES೼䲚⬉ᵕ̣থᇘᵕ䯈໘Ѣⷁ䏃⢊ᗕᯊˈ䮼ᵕ̣থᇘᵕ䯈㛑໳໪ࡴⱘ᳔໻⬉य़˄䗮ᐌf20Vmax.˅Ic䲚⬉ᵕⱘ⬉ᵕϞᆍ䆌ⱘ᳔໻Ⳉ⌕⬉⌕Icpulse䲚⬉ᵕⱘ⬉ᵕϞᆍ䆌ⱘ᳔໻㛝ކ⬉⌕-Icݙ㕂ѠᵕㅵϞᆍ䆌ⱘ᳔໻Ⳉ⌕ℷ৥⬉⌕䲚⬉ᵕ⬉⌕(Collectorcurrent)-Icpulseݙ㕂ѠᵕㅵϞᆍ䆌ⱘ᳔໻㛝ކℷ৥⬉⌕᳔໻ᤳ㗫(Collectorpowerdissipation)Pc↣ϾܗӊϞⱘIGBT᠔ᆍ䆌ⱘ᳔໻ࡳ⥛ᤳ㗫㒧⏽(Junctiontemperature)TjՓܗӊ㛑໳䖲㓁ᗻᎹ԰ⱘ᳔໻㢃⠛⏽ᑺ˄䳔㽕䆒䅵៤ेՓ೼㺙㕂Ё᳔ണⱘ⢊ᗕϟˈгϡ䍙ߎ䖭Ͼؐ˅ֱᄬ⏽ᑺ(Storagetemperature)Tstg೼⬉ᵕϞϡ䰘ࡴ⬉䋳㥋ⱘ⢊ᗕϟৃҹֱᄬ៪䕧䖤ⱘ⏽ᑺ㣗ೈFWDˉ⬉⌕Ѡ⃵ᮍᯊ䯈⿃(FWDˉI2t)I2t೼ϡ⸈ണܗӊⱘ㣗ೈݙ᠔ܕ䆌ⱘ䖛⬉⌕⛺㘇⿃ߚؐDŽ䖛⬉⌕⫼ଚ⫼ℷᓺञ⊶˄50ǃ60Hz˅ϔ਼ᳳᴹ㾘ᅮDŽFWDˉℷ৥ዄؐ⌾⍠⬉⌕(FWDˉIFSM)IFSM೼ϡ⸈ണܗӊⱘ㣗ೈݙ᠔ܕ䆌ⱘϔ਼ᳳҹϞଚ⫼ℷᓺञ⊶˄50ǃ60Hz˅ⱘ⬉⌕᳔໻ؐ㒱㓬ᔎᑺ(Isolationvoltage)Viso೼⬉ᵕܼ䚼໘Ѣⷁ䏃⢊ᗕᯊˈ⬉ᵕϢދैԧⱘᅝ㺙䴶䯈᠔ᆍ䆌ⱘℷᓺ⊶⬉य़ⱘ᳔໻᳝ᬜؐMounting⫼⡍ᅮⱘ㶎䩝ᇚܗӊ੠ދैԧ˄ᬷ⛁఼˅䯈།㋻ᯊ᠔⫼ⱘ᳔໻࡯ⶽؐᅝ㺙࡯ⶽ(Screwtorque)Terminal⫼⡍ᅮⱘ㶎䩝ᇚッᄤ੠໪䚼䜡㒓།㋻ᯊ᠔⫼ⱘ᳔໻࡯ⶽؐ⊼˖೼ӏԩᚙމϟ䛑ϡ㛑䍙䖛᠔䆄䕑ⱘ㒱ᇍ᳔໻乱ᅮؐDŽ㄀2ゴᴃ䇁Ϣ⡍ᗻ2-3㸼2-2⬉⡍ᗻ˄Electricalcharacteristics˅ᴃ䇁ヺোᅮНঞ䇈ᯢ˄ᴵӊ䇋খ✻৘⾡ѻકⱘ䇈ᯢкDŽ˅䲚⬉ᵕˉথᇘᴎ䯈ᮁ䏃⬉⌕(Zerogatevoltaecollectorcurrent)ICES䮼ᵕ˄ϟ⿄G˅̣থᇘᵕ˄ϟ⿄E˅䯈໘Ѣⷁ䏃ⱘ⢊ᗕᯊˈ೼䲚⬉ᵕ˄ϟ⿄C˅̣E䯈໪ࡴᣛᅮⱘ⬉य़ᯊC-E䯈ⱘⓣ⬉⌕䮼ᵕ̣থᇘᵕ䯈ⱘⓣ⬉⌕(Gate-emitterleakagecurrent)IGESC̣E䯈໘Ѣⷁ䏃⢊ᗕᯊˈ೼G̣E䯈໪ࡴᣛᅮⱘ⬉य़ᯊG̣E䯈ⱘⓣ⬉⌕䮼ᵕ̣থᇘᵕ䯈ⱘ䯜ؐ⬉य़(Gate-emitterthresholdvoltage)VGE(th)໘ѢᣛᅮⱘC̣E䯈ⱘ⬉⌕˄ϟ⿄䲚⬉ᵕ⬉⌕˅੠C̣E䯈ⱘ⬉य़˄ϟ⿄VCE˅П䯈ⱘG̣E䯈ⱘ⬉य़˄ϟ⿄VGE˅˄C̣E䯈᳝ᖂᇣ⬉⌕ᓔྟ⌕䖛ᯊⱘVGEؐ⫼Ѣ԰Ў㸵䞣IGBTᓔྟᇐ䗮ᯊⱘVGEؐⱘሎᑺ˅䲚⬉ᵕ̣থᇘᵕ䯈ⱘ佅੠