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        IGBT模塊散熱器的發展與應用

        日期:2022-05-27 22:29
        瀏覽次數:628
        摘要:
          IGBT模塊散熱器的發展與應用
           1概述
          電力電子器件的發展經歷了晶閘管(SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、晶體管(BJT)、絕緣柵晶體管(IGBT)等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅動、低損耗、模塊化、復合化方向發展,與其他電力電子器件相比,IGBT模塊散熱器具有高可靠性、驅動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點,為了達到這些高性能,采用了許多用于集成電路的工藝技術,如外延技術、離子注入、精細光刻等。要提高功率MOSFET的耐壓能力,勢必增加高導通電阻,從而妨礙器件在高電壓、大電流范圍的應用。針對這些缺陷,20世紀80年代誕生了功率IGBT(絕緣柵雙極晶體管)器件,20世紀90年代初進入實用化。近幾年來,功率IGBT模塊散熱器的性能提高很快,額定電流已達數百安培,耐壓達1500V以上,而且還在不斷提高。由于IGBT器件具有PIN二極管的正向特性,P溝功率IGBT 模塊散熱器 的特性不比N溝IGBT差多少,這非常有利于在應用中采取互補結構,從而擴大其在交流和數字控制技術領域中的應用。
          目前,應用在中壓大功率領域的電力電子器件,已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互競爭不斷**的技術市場,在大功率(1MW),低頻率(1kHz)的傳動領域,如電力牽引機車領域GTO、IGCT有著獨特的優勢,而在高載波頻率、高斬波頻率下,IGBT、IEGT有著廣闊的發展前景,在現階段中壓大功率變頻領域將由這4種電力電子器件構成其主流器件。
          IGBT*大的優點是無論在導通狀態還是短路狀態都可以承受電流沖擊。它的并聯不成問題,由于本身的關斷延遲很短,其串聯也容易。盡管IGBT模塊 散熱器 在大功率應用中非常廣泛,但其有限的負載循環次數使其可靠性成了問題,其主要失效機理是陰極引線焊點開路和焊點較低的疲勞強度,另外,絕緣材料的缺陷也是一個問題。
          10年前,IGBT模塊散熱器出現在世界技術舞臺的時候,盡管它凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術和大規模集成電路微細加工手段二者的精華,表現出很好的綜合性能,許多人仍難以相信這種器件在大功率領域中的生命力?,F在,跨世紀的IGBT顯示了巨大的進展,形成了一個新的器件應用平臺。
          2智能MOS柵IGBT模塊散熱器化
          由于IGBT高頻性能的改進,可將驅動電路、保護電路和故障診斷電路集成在一起,制成智能功率模塊,一般情況下采用電壓觸發。
          通過采用大規模集成電路的精細制作工藝并對器件的少數載流子壽命進行控制,新一代功率IGBT 模塊散熱器 芯片已問世。第三代IGBT與**代產品相比,在斷態下降時間及飽和電壓特性上均有較大的提高。
          IGBT是雙極型晶體管(BJT)和MOSFET的復合器件,其將BJT的電導調制效應引入到VDMOS的高阻漂移區,大大改善了器件的導通性,同時它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗,為電壓驅動器件。開通和關斷時均具有較寬的安全工作區,IGBT 模塊散熱器 所能應用的范圍基本上替代了傳統的晶閘管(SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、晶體管(BJT)等器件。
          2.1IGBT—PIM
          IGBT 模塊散熱器 的模塊內置整流模塊電路、逆變主回路和再生回路,以降低損耗和降低成本,這種新型模塊稱為功率集成模塊,簡稱PIM(PowerIntegratedModule)。IGBT模塊是一種高速開關,第四代IGBT在開發中主要采取如下幾項新技術。
          (1)FWD(FreeWheelingDiode)技術
          在模塊中選用降低正向電壓(VF)的二極管器件,據測試在600V和1200V系列中,逆變器載波頻率為10kHz時產生的損耗與舊系列相比降低20%。
          (2)蝕刻模塊單元的微細化技術
          由于控制極的寬度(LH)已達到*佳化設計,故集電—射極之間的飽和電壓VCE(SAT)可降低0.5V,使開關損耗降低。
          (3)NPT(NonPunchThrough)技術
          使載流子壽命得到控制,從而減少開關損耗對溫度的依存性。這樣,可減少長期使用過程中的開關損耗。
          對于IGBT 模塊散熱器 這類高速開關的要求無非是高速性和柔性恢復性。對于正向電壓VF和恢復損耗Err二者相比,在設計時寧可選擇較高的VF值。但當選用高VF值在變頻器低頻工作時,將會使FWD的導通時間加長并使平均損耗增加,也使變頻器在低速高力矩時溫升提高。為此第四代IGBT 模塊散熱器 特別注意到設計*佳的電極構造,從而改善了VF、Err關系,使FWD的VF降低0.4V~0.5V,總損耗減少20%。
          2.2P系列NPT—IGBT模塊的特點
          FUJIP系列IGBT采用NPT工藝制造,比PT(PunchThrough)IGBT有更多的優越性,特別適用于變頻器、交流伺服系統、UPS、電焊電源等領域,其顯著特點如下:
          (1)電流額定值是在Tc=800℃時標出的。
          (2)P系列IGBT的VCE(SAT)與溫度成正比,易于并聯。
          (3)開關損耗的溫度系數比PT-IGBT小,當結溫升高時,其開關損耗比PT-IGBT增加的少,因此P系列模塊更適合高頻應用。
          (4)1400V系列模塊可用于AC380V至575V的功率變換設備中。
          (5)P系列中,尤其是1400V模塊比PT-IGBT有更大的安全工作區,反偏安全工作區(RBSOA)和短路安全工作區(SCSOA)都為矩形。其RBSOA可達額定電流的兩倍,SCSOA可達額定電流的十倍。因此,吸收電路可大大地簡化,同時,短路承受能力也大大提高。
          (6)低損耗、軟開關,它的dv/dt只有普通模塊的1/2,大大降低了EMI噪聲。
          目前,IGBT已發展到第四代;西門子/EUPEC已可提供電流從10A~2.4kA,電壓范圍為600V~3.3kV的IGBT模塊,以1.2kA/3.3kVIGBT為例,其柵極發射極電壓僅為15V,觸發功率低、關斷損耗小、di/dt.du/dt都得到有效的控制。
          當前高壓IGBT模塊散熱器的研制和應用水平為:600A~800A/6.5kV,工作頻率為18kHz~20kHZ,在工藝上,高壓IGBT開發主要采取以下措施:一是采用溝槽結構,挖掉了位于柵極下方、夾在P型基區中間的結型場效應晶體管的電阻,改善了減小通態壓降和提高頻率特性之間的矛盾;二是采用非穿通(NPT)結構取代穿通(PT)結構,因為NPT結構的IGBT芯片具有正電阻溫度系數、易于并聯,這是IGBT 模塊散熱器 大功率化的必由之路;三是高壓IGBT作為高頻器件,電磁兼容問題值得重視,采用電感封裝技術可確保系統長期可靠的運行,大容量高壓IGBT 模塊散熱器 適**用平板式封裝結構。
          3第四代IGBT 模塊散熱器 的基本特點
          3.1溝槽(Trench)結構
          同各種電力半導體一樣,IGBT向大功率化發展的內部動力也是減小通態壓降和增加開關速度(降低關斷時間)之間矛盾的折衷。在常規的一至二代IGBT中,其MOS溝道是平行于硅片表面的。它的導通電流由兩部分組成:MOS分量IMOS和晶閘管分量ISCR,為防止閂鎖(Latch-up)效應,其MOS分量必須占主導。其流通途徑中不可避免地存在一個位于柵極下方、夾在P型基區中間的結型場效應晶體管(JFET)的電阻RJFET,它成為提高頻率特性、縮小通態壓降的障礙。第四代IGBT采用特殊的工藝制成溝槽結構,挖掉了RJFET,把MOS溝道移到垂直于硅片表面的位置,元胞尺寸可減少到20%。這樣可提高硅片利用率,減小通態壓降,也為其頻率參數的改善創造了新的可能性。
          3.2IGBT模塊散熱器高壓化
          1993年,德國公司推出3.2kV/1.3kA的IGBT模塊,但它是用多個IGBT芯片串聯加并聯組成的。只能說是高壓化發展的一種嘗試。人們曾認為IGBT耐壓不會突破2kV,是因為1.2kV以下的IGBT都是用高阻外延硅片制成的,電壓要達到1.5kV,外延層厚度就要超過180μm,幾乎是不能實用化的。
          1996年,日本東芝公司推出了2.5kV/1kA的IGBT,具有同大功率晶閘管、GTO管相同的平板壓接式封裝結構。它突破了外延片的制約,采用(110)晶面的高阻單晶硅片制造,硅片厚度超過300μm,有了足夠的機械強度。
          1998年,耐壓4.5kV的單管IGBT開發出來,但是,要想制作單管大電流IGBT是不可能的。在IGBT的制造過程中要做十幾次精細的光刻套刻,經過相應次數的高溫加工,圖形大到一定程度,合格率會急劇下降,甚至為零。所以,制造大功率IGBT,必然是要并聯的。
          東芝公司生產的2.5kV/1kAIGBT,是由24個2.5kV/80A的IGBT芯片并聯而成的,還有16個2.5kV/100A的超快恢復二極管(FRED)芯片與之反并聯(續流二極管)。實現單串多并結構是IGBT走向大功率化的必由之路。采用NPT結構是IGBT自如并聯的必要條件。
          3.3霹靂(Thunderbolt)型IGBT 模塊散熱器 問世
          一段時間以來,IGBT 模塊散熱器 的工作頻率限制在20kHz以下,在采用軟開關拓撲的電路中*多可工作到50kHz以下,許多開關電源用到更高的頻率,基本是功率MOS場效應管的天下。1998年在第四代技術的基礎上,美國IR公司(WARP系列)和APT公司(GT系列)開發了命名為霹靂型IGBT的新器件,由二維集成轉向三維集成。其額定電壓達到600V,額定電流為0~100A。其硬開關工作頻率可達150kHz,諧振逆變軟開關電路可達300kHz。它的開關特性已接近功率MOSFET,而電流密度則為MOSFET的2.5倍,即相同電流時它的硅片面積大大減小,故成本有所降低。
          3.4逆導型IGBT和雙向IGBT模塊散熱器 
          這是為適應不同應用線路的需要而研制的IGBT派生器件。
          4使用IGBT模塊散熱器使用中應注意的問題
          IGBT模塊散熱器的結構與MOSFET類似,從等效電路和工作機理來說,可以認為IGBT是MOS輸入的達林頓晶體管,其輸入級是MOSFET,輸出級是PNP晶體管。IGBT模塊的使用應特別注意以下幾方面的問題。
          4.1防靜電對策
          IGBT模塊散熱器的VGE保證值為±20V,在IGBT模塊上加上超出保證值的電壓有損壞的危險,因而在柵極-發射極之間接一只10kQ左右的電阻器為宜。
          4.2驅動電路設計
          嚴格地說,能否充分利用IGBT器件的性能,關鍵取決于驅動電路的設計。IGBT驅動電路必須能提供適當的正向柵壓、足夠的反向柵壓、足夠的輸入輸出電隔離能力,以及具有柵壓限幅電路等。
          4.3保護電路的設計
          IGBT模塊因過電流、過電壓等異?,F象有可能損壞。因此,必須在對器件的特性充分了解的情況下,設計出與器件特性相匹配的過電壓、過電流、過熱等保護電路。
          4.4散熱設計
          取決于IGBT模塊所允許的*高結溫(Tj),在該溫度下,首先要計算出器件產生的損耗,該損耗使結溫升至允許值以下來選擇散熱片。在散熱設計不充分的場合,實際運行在中等水平時,也有可能超過器件允許溫度而導致器件損壞。
          4.5柵極串聯電阻(Rc)
          對IGBT模塊散熱器來說,增大柵極電阻能夠減少IGBT開通時續流二極管的反向恢復過電壓,減少通態下出現短路的沖擊電流值;與此同時,增大柵極電阻的結果將使開通關斷損耗增加,延長開通和關斷時間。因此*好的辦法是配置兩個串聯電阻器,即RG(on)和RG(off),在實際設計時應考慮具體的應用要求。如在高壓二極管的情況下,恢復時間趨長,RG(on)應比產品目錄的推薦值大2倍~4倍。
          5新型大功率IGBT模塊散熱器 -電子注入增強柵晶體管IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)
          近年來,日本東芝公司開發了IEGT,其與IGBT一樣,它有平面柵和溝槽兩種結構,前者已研制成功,產品即將問世,后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的優點:低的飽和壓降、寬的安全工作區(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右),低的柵極驅動功率(比GTO低2個數量級)和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結構,可望有較高的可靠性。與IGBT 模塊散熱器 相比,IEGT結構的主要特點是柵極長度較長,n長基區近柵接極側的橫向電阻值較高,因此從集電極注入n長基區的空穴,難以象在IGBT中那樣,順利地橫向通過p區流入發射極,而是在該區域形成一層空穴積累層。為了保持該區域的電中性,發射極必須通過n溝道向n長基區注入大量的電子。這樣就使n長基區發射極側也形成了高濃度載流子積累,在n基區中形成與GTO中類似的載流子分布,從而較好地解決了大電流、高耐壓的矛盾。目前該器件已達到4.5kV/1kA的水平。

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