IGBT

IGBT

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),絕緣柵雙極型電晶體,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[計算機軟體術語]功率小而飽和壓降低。非常適合套用於直流電壓為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。IGBT是能源變換與傳輸的核心器件,俗稱電力電子裝置的“CPU”,作為國家戰略性新興產業,在軌道交通、智慧型電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域套用極廣。

基本信息

結構

IGBT結構圖IGBT結構圖

左邊所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極電晶體結構, N+區稱為源區,附於其上的電極稱為源極(即發射極E)。P+區稱為漏區。器件的控制區為柵區,附於其上的電極稱為柵極(即門極G)。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(包括P+和P-區)(溝道在該區域形成),稱為亞溝道區(Subchannel region)。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區(Drain injector),它是IGBT特有的功能區,與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極電晶體,起發射極的作用,向漏極注入空穴,進行導電調製,以降低器件的通態電壓。附於漏注入區上的電極稱為漏極(即集電極C)。

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP(原來為NPN)電晶體提供基極電流,使IGBT導通。反之,加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同,只需控制輸入極N-溝道MOSFET,所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成後,從P+基極注入到N-層的空穴(少子),對N-層進行電導調製,減小N-層的電阻,使IGBT在高電壓時,也具有低的通態電壓。

工作特性

靜態特性

三菱制大功率IGBT模組大功率IGBT模組

IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變數時,漏極電流與柵極電壓之間的關係曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT ,正向電壓由J2 結承擔,反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩衝區,則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平,加入N+緩衝區後,反向關斷電壓只能達到幾十伏水平,因此限制了IGBT 的某些套用範圍。

IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關係曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同,當柵源電壓小於開啟電壓Ugs(th) 時,IGBT 處於關斷狀態。在IGBT 導通後的大部分漏極電流範圍內, Id 與Ugs呈線性關係。最高柵源電壓受最大漏極電流限制,其最佳值一般取為15V左右。

IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關係。IGBT 處於導通態時,由於它的PNP 電晶體為寬基區電晶體,所以其B 值極低。儘管等效電路為達林頓結構,但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時,通態電壓Uds(on) 可用下式表示:

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 —— JI 結的正向電壓,其值為0.7 ~1V ;Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降;Roh ——溝道電阻。

通態電流Ids 可用下式表示:

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流過MOSFET 的電流。

由於N+ 區存在電導調製效應,所以IGBT 的通態壓降小,耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ~ 3V 。IGBT 處於斷態時,只有很小的泄漏電流存在。

動態特性

IGBT 在開通過程中,大部分時間是作為MOSFET 來運行的,只是在漏源電壓Uds 下降過程後期, PNP 電晶體由放大區至飽和,又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間,tri 為電流上升時間。實際套用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和,漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。

IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓,柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時,必須基於以下的參數來進行:器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發射極阻抗大,故可使用MOSFET驅動技術進行觸發,不過由於IGBT的輸入電容較MOSFET為大,故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關斷過程中,漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷後,PNP電晶體的存儲電荷難以迅速消除,造成漏極電流較長的尾部時間,td(off)為關斷延遲時間,trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際套用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成,而漏極電流的關斷時間

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中:td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

IGBT的開關速度低於MOSFET,但明顯高於GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間,但關斷時間隨柵極和發射極並聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3~4V,和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近,飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限,遠遠不能滿足電力電子套用技術發展的需求;高壓領域的許多套用中,要求器件的電壓等級達到10KV以上,目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓套用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司採用軟穿通原則研製出了8KV的IGBT器件,德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際套用,日本東芝也已涉足該領域。與此同時,各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術,主要採用1um以下製作工藝,研製開發取得一些新進展。2013年9月12日 我國自主研發的高壓大功率3300V/50A IGBT(絕緣柵雙極型電晶體)晶片及由此晶片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模組通過專家鑑定,中國自此有了完全自主的IGBT“中國芯”。

原理

方法

IGBT是將強電流、高壓套用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由於實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道,而這個通道卻具有很高的電阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特徵,IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS(on)特性,但是在高電平時,功率導通損耗仍然要比IGBT技術高出很多。較低的壓降,轉換成一個低VCE(sat)的能力,以及IGBT的結構,同一個標準雙極器件相比,可支持更高電流密度,並簡化IGBT驅動器的原理圖。

導通

IGBT矽片的結構與功率MOSFET的結構十分相似,主要差異是IGBT增加了P+基片和一個N+緩衝層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1),其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的套用在管體的P+和N+區之間創建了一個J1結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時,一個N溝道形成,同時出現一個電子流,並完全按照功率MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V範圍內,那么,J1將處於正向偏壓,一些空穴注入N-區內,並調整陰陽極之間的電阻率,這種方式降低了功率導通的總損耗,並啟動了第二個電荷流。最後的結果是,在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲:一個電子流(MOSFET電流);一個空穴電流(雙極)。

關斷

當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低於門限值時,溝道被禁止,沒有空穴注入N-區內。在任何情況下,如果MOSFET電流在開關階段迅速下降,集電極電流則逐漸降低,這是因為換向開始後,在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘餘電流值(尾流)的降低,完全取決於關斷時電荷的密度,而密度又與幾種因素有關,如摻雜質的數量和拓撲,層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特徵尾流波形,集電極電流引起以下問題:功耗升高;交叉導通問題,特別是在使用續流二極體的設備上,問題更加明顯。

鑒於尾流與少子的重組有關,尾流的電流值應與晶片的溫度、IC和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關係。因此,根據所達到的溫度,降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。

阻斷與閂鎖

當集電極被施加一個反向電壓時,J1就會受到反向偏壓控制,耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚度,將無法取得一個有效的阻斷能力,所以,這個機制十分重要。另一方面,如果過大地增加這個區域尺寸,就會連續地提高壓降。第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC和速度相同)PT器件的壓降高的原因。

當柵極和發射極短接並在集電極端子施加一個正電壓時,P/NJ3結受反向電壓控制,此時,仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。

IGBT在集電極與發射極之間有一個寄生PNPN晶閘管(如圖1所示)。在特殊條件下,這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發射極之間的電流量增加,對等效MOSFET的控制能力降低,通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖,具體地說,這種缺陷的原因互不相同,與器件的狀態有密切關係。通常情況下,靜態和動態閂鎖有如下主要區別:

當晶閘管全部導通時,靜態閂鎖出現,只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區。為防止寄生NPN和PNP電晶體的有害現象,有必要採取以下措施:防止NPN部分接通,分別改變布局和摻雜級別,降低NPN和PNP電晶體的總電流增益。此外,閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響,因此,它與結溫的關係也非常密切;在結溫和增益提高的情況下,P基區的電阻率會升高,破壞了整體特性。因此,器件製造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例,通常比例為1:5。

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。[2]在那個時候,矽晶片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[3]。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)工藝借鑑來的矽乾法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝,但仍然是穿通(PT)型晶片結構。[4]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。

矽晶片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電晶體)使第5代IGBT模組得以實現,它採用了弱穿通(LPT)晶片結構,又採用了更先進的寬元胞間距的設計。目前,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,以求得進一步最佳化。

IGBT功率模組採用IC驅動,各種驅動保護電路,高性能IGBT晶片,新型封裝技術,從複合功率模組PIM發展到智慧型功率模組IPM、電力電子積木PEBB、電力模組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模組為有源器件的PEBB,用於艦艇上的飛彈發射裝置。IPEM採用共燒瓷片多晶片模組技術組裝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。智慧型化、模組化成為IGBT發展熱點。

現在,大電流高電壓的IGBT已模組化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已製造出集成化的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。

研發進展

IGBT(絕緣柵雙極電晶體)作為新型電力半導體場控自關斷器件,集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻於一體,具有輸進阻抗高,電壓控制功耗低,控制電路簡單,耐高壓,承受電流大等特性,在各種電力變換中獲得極廣泛的套用。與此同時,各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠、低本錢技術,主要採用1um以下製作工藝,研製開發取得一些新進展。

1、低功率IGBT

IGBT套用範圍一般都在600V、1KA、1KHz以上區域,為滿足家電行業的發展需求,摩托羅拉、ST半導體三菱等公司推出低功率IGBT產品,實用於家電行業的微波爐、洗衣機、電磁灶、電子整流器、照相機等產品的套用。

2、U-IGBT

U(溝槽結構)--IGBT是在管芯上刻槽,晶片元胞內部形成溝槽式柵極。採用溝道結構後,可進一步縮小元胞尺寸,減少溝道電阻,進步電流密度,製造相同額定電流而晶片尺寸最少的產品。現有多家公司生產各種U—IGBT產品,適用低電壓驅動、表面貼裝的要求。

3、NPT-IGBT

NPT(非穿通型)--IGBT採用薄矽片技術,以離子注進發射區代替高複雜、高本錢的厚層高阻外延,可降低生產本錢25%左右,耐壓越高本錢差越大,在性能上更具有特色,高速、低損耗、正溫度係數,無鎖定效應,在設計600—1200V的IGBT時,NPT—IGBT可靠性最高。西門子公司可提供600V、1200V、1700V系列產品和6500V高壓IGBT,並推出低飽和壓降DLC型NPT—IGBT,依克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研製出NPT—IGBT及其模組系列,富士電機、摩托羅拉等在研製之中,NPT型正成為IGBT發展方向。

4、SDB--IGBT

鑒於目前廠家對IGBT的開發非常重視,三星、快捷等公司採用SDB(矽片直接鍵合)技術,在IC生產線上製作第四代高速IGBT及模組系列產品,特點為高速,低飽和壓降,低拖尾電流,正溫度係數易於並聯,在600V和1200V電壓範圍性能優良,分為UF、RUF兩大系統。

5、超快速IGBT

國際整流器IR公司的研發重點在於減少IGBT的拖尾效應,使其能快速關斷,研製的超快速IGBT可最大限度地減少拖尾效應,關斷時間不超過2000ns,採用特殊高能照射分層技術,關斷時間可在100ns以下,拖尾更短,重點產品專為電機控制而設計,現有6種型號,另可用在大功率電源變換器中。

6、IGBT/FRD

IR公司在IGBT基礎上推出兩款結合FRD(快速恢復二極體)的新型器件,IGBT/FRD有效結合,將轉換狀態的損耗減少20%,採用TO—247外型封裝,額定規格為1200V、25、50、75、100A,用於電機驅動和功率轉換,以IGBT及FRD為基礎的新技術便於器件並聯,在多晶片模組中實現更均勻的溫度,進步整體可靠性。

7、IGBT功率模組

IGBT功率模組採用IC驅動,各種驅動保護電路,高性能IGBT晶片,新型封裝技術,從複合功率模組PIM發展到智慧型功率模組IPM、電力電子積木PEBB、電力模組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模組為有源器件的PEBB,用於艦艇上的飛彈發射裝置。IPEM採用共燒瓷片多晶片模組技術組裝PEBB,大大降低電路接線電感,進步系統效率,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。智慧型化、模組化成為IGBT發展熱門。

對比

輸出特性與轉移特性:

IGBT的伏安特性是指以柵極電壓VGE為參變數時,集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關係曲線。IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性相似,也可分為飽和區I、放大區II和擊穿區III三部分。IGBT作為開關器件穩態時主要工作在飽和導通區。IGBT的轉移特性是指集電極輸出電流IC與柵極電壓之間的關係曲線。它與MOSFET的轉移特性相同,當柵極電壓VGE小於開啟電壓VGE(th)時,IGBT處於關斷狀態。在IGBT導通後的大部分集電極電流範圍內,IC與VGE呈線性關係。

IGBT與MOSFET的對比:

MOSFET全稱功率場效應電晶體。它的三個極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。

主要優點:熱穩定性好、安全工作區大。

缺點:擊穿電壓低,工作電流小。

IGBT全稱絕緣柵雙極電晶體,是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產物。它的三個極分別是集電極(C)、發射極(E)和柵極(G)。

特點:擊穿電壓可達1200V,集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達250kVA以上,工作頻率可達20kHz。

檢測

判斷極性

首先將萬用表撥在R×1KΩ擋,用萬用表測量時,若某一極與其它兩極阻值為無窮大,調換表筆後該極與其它兩極的阻值仍為無窮大,則判斷此極為柵極(G )其餘兩極再用萬用表測量,若測得阻值為無窮大,調換表筆後測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中,則判斷紅表筆接的為集電極(C);黑表筆接的為發射極(E)。

判斷好壞

將萬用表撥在R×10KΩ擋,用黑表筆接IGBT 的集電極(C),紅表筆接IGBT 的發射極(E),此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極(G)和集電極(C),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柵極(G)和發射極(E),這時IGBT 被阻斷,萬用表的指針回零。此時即可判斷IGBT 是好的。

檢測注意事項

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×1KΩ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。此方法同樣也可以用於檢測功率場效應電晶體(P-MOSFET)的好壞。

模組簡介

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型電晶體)的縮寫,IGBT是由MOSFET和雙極型電晶體複合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP電晶體,它融合了這兩種器件的優點,既具有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的優點,又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優點,其頻率特性介於MOSFET與功率電晶體之間,可正常工作於幾十kHz頻率範圍內,在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的套用,在較高頻率的大、中功率套用中占據了主導地位。

若在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓,則MOSFET導通,這樣PNP電晶體的集電極與基極之間成低阻狀態而使得電晶體導通;若IGBT的柵極和發射極之間電壓為0V,則MOS 截止,切斷PNP電晶體基極電流的供給,使得電晶體截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件,在它的柵極—發射極間施加十幾V的直流電壓,只有在uA級的漏電流流過,基本上不消耗功率。

等效電路

模組選擇

IGBT模組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模組集電極電流增大時,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模組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。

使用注意

由於IGBT模組為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:

在使用模組時,儘量不要用手觸摸驅動端子部分,當必須要觸摸模組端子時,要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電後,再觸摸;在用導電材料連線模組驅動端子時,在配線未接好之前請先不要接上模組;儘量在底板良好接地的情況下操作。在套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盪電壓。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盪電壓。

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模組時,應十分重視IGBT模組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模組間塗抹導熱矽脂。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模組發熱,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模組的地方安裝有溫度感應器,當溫度過高時將報警或停止IGBT模組工作。

保管注意

一般保存IGBT模組的場所,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;儘量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合;在溫度發生急劇變化的場所IGBT模組表面可能有結露水的現象,因此IGBT模組應放在溫度變化較小的地方;保管時,須注意不要在IGBT模組上堆放重物;裝IGBT模組的容器,應選用不帶靜電的容器。

IGBT模組由於具有多種優良的特性,使它得到了快速的發展和普及,已套用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模組性能,了解選擇及使用時的注意事項對實際中的套用是十分必要的。

故障診斷

逆變器與電動機構成的調速傳動系統進入實用化階段已經有近20年的歷史。調速系統中的核心“變頻器”是一個複雜的電子系統,易受到電磁環境的影響而發生損壞。工業系統運行過程中,生產工藝的連續性不允許系統停機,否則將意味著巨大的經濟損失。特別是在一些特殊的套用場合,如自動化和宇宙空間系統、核能和危險的化學工廠中,更不允許逆變器因故障停機。由於系統可自動維護性、生存能力等指標的要求明顯提高,近年來對具有容錯能力的控制系統的研究得到了更多的關注。高故障容限控制系統應迅速地進行故障分析,故障後主動重構系統的軟硬體結構,實行冗餘、容錯等控制策略,確保整個系統在不損失性能指標或部分性能指標降低的情況下安全運行,規避異常停機所造成的巨大經濟損失,滿足某些特殊行業的需求。實現高故障容限控制系統的前提條件是準確的故障診斷,只有準確定位故障,才能據此進行容錯控制,應對逆變器中IGBT的開路故障診斷展開研究 。

嚴格地說,在變頻器−電機構成的控制系統中任何一個功能單元、任何一個元器件發生故障都是可能的,但變頻器部分發生故障的幾率要遠遠高於電機。而在變頻器中,逆變橋IGBT的開路和短路故障又占了相當大的比重。所以針對上述故障的診方法是高故障容限變頻器研究的熱點問題。IGBT的短路故障已有成熟的方案,即通過硬體電路檢測IGBT的D-S壓降,可以準確判別故障管。IGBT開路故障也時有發生,一方面是由於過流燒毀,導致開路,另一方面是由於接線不良、驅動斷線等原因導致的驅動信號開路。相對於短路故障而言,開路故障發生後往往電機還能夠繼續運行,所以不易被發現,但其危害較大,因為在此情況下其餘IGBT將流過更大的電流,易發生過流故障;且電機電流中存在直流電流分量,會引起轉矩減小、發熱、絕緣損壞等問題,如不及時處理開路故障,會引發更大的事故。檢測出某IGBT開路後,才可以採用橋臂冗餘、四開關等方式繼續安全容錯運行。歸納國內外學者在IGBT開路故障診斷方法上所展開的研究,主要有專家系統法、電流檢測法和電壓檢測法三種。專家系統法基於經驗積累,將可能發生的故障一一列出,歸納出規律並建立知識庫,當發生故障的時候只需要觀測故障現象,查詢知識庫即可判斷故障類型,難點在於難以窮盡所有的故障現象並得到完備的故障知識庫,而有些故障模態往往與變頻器正常運行時的某種狀態時非常相似,造成了難以準確匹配故障。電壓檢測法通過考察變頻器故障時電機相電壓、電機線電壓或電機中性點電壓與正常時的偏差來診斷故障。只需要四分之一基波周期便能檢測出故障,大大縮短了診斷時間,只是這種方法需要增加電壓感測器,通用性差。

電流檢測法最為常用,其又派生出平均電流Park矢量法、單電流感測器法和電流斜率法等,平均電流Park矢量法以Coimbra大學的J.A.ACaseiro教授發表的幾篇文章為代表。該方法在α−β坐標系下進行,通過3-2變換得到Iα和Iβ,在一個電流周期內求其平均值,根據平均值求得平均電流Park矢量。故障出現時Park矢量將不為零,通過判斷其幅值和相位確定哪只IGBT出現故障。平均電流Park矢量法的缺點在於其對負載敏感,負載不同情況下,Park矢量電流大小不同,會造成評價故障的標準不統一。電流矢量斜率法根據故障前後定子電流矢量軌跡斜率的不同來診斷故障,缺點在於該方法極易受到干擾而導致誤判。

針對變頻器逆變橋IGBT開路的故障診斷,對平均電流Park矢量法、三相平均電流法以及提出的基於傅立葉變換的歸一化方法做了對比驗證,得到如下結論:

1)平均電流Park矢量法和三相平均電流法在穩態情況下可以準確地檢測IGBT開路故障,定位故障管,但在突加、突減負載時會出現誤診斷。

2)利用離散傅立葉變換得到定子電流的直流分量和基波幅值,然後根據基波幅值大小將直流分量歸一化,依據歸一化後的直流分量大小定位開路故障的IGBT,可解決傳統方法在突加、突減負載時會出現誤診斷的問題。

3)變頻器IGBT開路故障診斷提供了有效方法,其可做為容錯控制的基礎,後續工作可以圍繞故障後的容錯控制展開。

保護

眾所周知,IGBT是一種用MOS來控制電晶體的新型電力電子器件,具有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點,被廣泛套用在變頻器的逆變電路中。但由於IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差,一旦出現意外就會使它損壞。為此,必須對IGBT進行相關保護。一般我們從過流、過壓、過熱三方面進行IGBT保護電路設計。

IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒,耐過流量小,因此使用IGBT首要注意的是過流保護。那么該如何根據IGBT的驅動要求設計過流保護呢?

IGBT的過流保護可分為兩種情況:(1)驅動電路中無保護功能;(2)驅動電路中設有保護功能。對於第一種情況,我們可以在主電路中要設定過流檢測器件;針對第二種情況,由於不同型號的混合驅動模組,其輸出能力、開關速度與du/dt的承受能力不同,使用時要根據實際情況恰當選用。對於大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護則可以通過封鎖驅動信號或者減小柵壓來進行保護。

過壓保護則可以從以下幾個方面進行:

●儘可能減少電路中的雜散電感。

●採用吸收迴路。吸收迴路的作用是;當IGBT關斷時,吸收電感中釋放的能量,以降低關斷過電壓。

●適當增大柵極電阻Rg。

IGBT的過熱保護一般是採用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器),並可進行強迫風冷。

新舊型對比

在傳統的使用和設計IGBT的過程中,基本上都是採用粗放式的設計模式,所需餘量較大,系統龐大,但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統引起的各種失效問題。那么該如何突破傳統的IGBT系統電路保護設計來解決上述問題呢?

傳統保護模式

傳統保護模式和新型保護模式電路對比傳統保護模式和新型保護模式電路對比

防護方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設定一些保護元件,如下圖的電阻RGE的作用,是使柵極積累電荷泄放(其阻值可取5kΩ);兩個反向串聯的穩壓二極體V1和V2,是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。另外,還有實現控制電路部分與被驅動的IGBT之間的隔離設計,以及設計適合柵極的驅動脈衝電路等。然而即使這樣,在實際使用的工業環境中,以上方案仍然具有比較高的產品失效率——有時甚至會超出5%。相關的實驗數據和研究表明:這和瞬態浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關係,而穩壓管在此的回響時間和耐電流能力遠遠不足,從而導致IGBT過熱而損壞。

傳統保護模式和新型保護模式電路對比

新型保護模式

將傳統的穩壓管改為新型的瞬態抑制二極體(TVS)。一般柵極驅動電壓約為15V,可以選型SMBJ15CA。該產品可以通過IEC61000-4-5浪涌測試10/700US6kV。

TVS反應速度極快(達PS級),通流能力遠超穩壓二極體(可達上千安培),同時,TVS對靜電具有非常好的抑制效果。該產品可以通過IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測試。

將傳統電阻RG變更為正溫度係數(PPTC)保險絲。它既具有電阻的效果,又對溫度比較敏感。當內部電流增加時,其阻抗也在增加,從而對過流具有非常好的抑制效果。

套用及設計

作為電力電子重要大功率主流器件之一,IGBT已經廣泛套用於家用電器、交通運輸、電力工程可再生能源和智慧型電網等領域。在工業套用方面,如交通控制、功率變換、工業電機、不間斷電源、風電與太陽能設備,以及用於自動控制的變頻器。在消費電子方面,IGBT用於家用電器、相機和手機。

產品市場

國內市場需求急劇上升曾使得IGBT市場一度被看好。雖然長期來看,IGBT是一個值得期待的市場,可是到目前為止IGBT的核心技術和產業為大多數歐美IDM半導體廠商所掌控,中國在2014年6月成功研製出8寸IGBT專業晶片,打破國際壟斷。並且隨著各國政府都將削減可再生能源及交通等領域的支出,IGBT市場能否再度增長?

根據最新的調查報告顯示,各種IGBT器件和模組的銷售額在2013年將有一定程度的復甦,2014年稍稍減速,待經濟復甦並穩定後,從2015年開始將穩定增長。雖然2013年IGBT市場增長趨勢有所下降,但隨著國內技術的進步,其發展前景還是十分被看好的。

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