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模塊集電電流增大時,所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時,開關(guān)損耗增大,使原件發(fā)熱加劇,因此,選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時,由于開關(guān)損耗增大,發(fā)熱加劇,選用時應(yīng)該降等使用。
由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu),IGBT的柵通過一層氧化膜與發(fā)射實現(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)致柵擊穿是IGBT失效的常見原因之一。
隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展,芯片的高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高, IGBT模塊技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電互連 兩方面改進(jìn)。模塊技術(shù)發(fā)展趨勢:無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術(shù);內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動電路等功能元件,不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(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。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小,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,驅(qū)動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、牽引傳動等領(lǐng)域。
IGBT模塊是由IGBT(絕緣柵雙極型晶體管芯片)與FWD(續(xù)流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品;封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上;
上升時間。實際應(yīng)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(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓,柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時,基于以下的參數(shù)來進(jìn)行:器件關(guān)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(fā)射極阻抗大,故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行觸發(fā),不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大,故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。
IGBT在關(guān)斷過程中,漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因為MOSFET關(guān)斷后,PNP晶體管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(guān)斷延遲時間,trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應(yīng)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(guān)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(guān)速度低于MOSFET,但明顯GTR。IGBT在關(guān)斷時不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時間,但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3~4V,和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求;高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中,要求器件的電壓等級達(dá)到10KV以上,目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實現(xiàn)高壓應(yīng)用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件,德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實際應(yīng)用,日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時,各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù),主要采用1um以下制作工藝,研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。2013年9月12日 我國的高壓大功率3300V/50A IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片及由此芯片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過,中國自此有了完全自主的IGBT“中國芯”。
關(guān)于轉(zhuǎn)換電壓變化率
當(dāng)驅(qū)動一個大的電感性負(fù)載時,在負(fù)載電壓和電流間有一個很大的相移。當(dāng)負(fù)載電流過零時,雙向可控硅(晶閘管)開始換向,但由于相移的關(guān)系,電壓將不會是零。所以要求可控硅(晶閘管)要迅速關(guān)斷這個電壓。如果這時換向電壓的變化超過允許值時,就沒有足夠的時間使結(jié)間的電荷釋放掉,而使雙向可控硅(晶閘管)回到導(dǎo)通狀態(tài)。
為了克服上述問題,可以在端子MT1和MT2之間加一個RC網(wǎng)絡(luò)來限制電壓的變化,以防止誤觸發(fā)。一般,電阻取100R,電容取100nF。值得注意的是此電阻不能省掉。
1、日本三社SanRex:可控硅模塊;二極管模塊;三相整流橋模塊。
2、德國西門]康SEMIKRON: IGBT模塊;可控硅模塊;二極管模塊;三相整流橋模塊;平板型可控硅;螺栓型可控硅;螺栓型二極管。
3、德國英飛凌Infineon: IGBT模塊; PIM模塊;可控硅模塊。
4、德國艾賽斯IXYS:快速恢復(fù)二極管模塊;可控硅模塊。
5、日本三菱MITSUBISHI: IGBT模塊; IPM模塊; PIM模塊。
6、日本富士FUJI: IGBT模塊; IPM模塊;三相整流橋模塊。
7、美國威士VISHAY:螺栓二極管;螺栓可控硅。
8、日本東芝TOSHIBA: IGBT模塊;整流橋模塊; GTO門極關(guān)斷可控硅。
9、IGBT無感吸收電容:美國CDE;加拿大EACO:德國EPCOS。
10、英國西碼WESTCODE:平板型可控硅;平板型二極管;螺栓型可控硅、螺栓型二極管。
11、意大利POSEICO:平板型可控硅;平板型二極管。
12、英國達(dá)尼克斯DYNEX:平板型可控硅;平板型二極管、GTO ]極可關(guān)斷可控硅
13、瑞士ABB:平板型可控硅;平板型二極管、GTO門極可關(guān)斷可控硅。
14、快速熔斷器:美國BUSSMANN。