絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的資料大全

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,因此,可以把其看作是MOS輸入的達(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn),既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和快速的優(yōu)點(diǎn),又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn),因而,在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

IGBT(Insolated 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(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)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(diǎn)，驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

　　圖1所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)（包括P+ 和P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（ Subchannel region ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。

　　IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

　　IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類：

　　1 ．靜態(tài)特性

　　IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。

　　IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。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(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。

　　IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。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(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示

　　Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh

　　式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。

　　通態(tài)電流Ids 可用下式表示：

　　Ids=(1+Bpnp)Imos

　　式中Imos ——流過(guò)MOSFET 的電流。

　　由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

　　2 ．動(dòng)態(tài)特性

　　IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過(guò)程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開(kāi)通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)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(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)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?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)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(dòng)電路提供的偏壓更高。

　　IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)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(shí)間

　　t(off)=td(off)+trv十t(f)

　　式中，td(off)與trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。

　　IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)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(jí)達(dá)到10KV以上，目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)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(guó)的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)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(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。

　　IGBT的發(fā)展歷史

　　1979年，MOS柵功率開(kāi)關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個(gè)類晶閘管的結(jié)構(gòu)（P-N-P-N四層組成），其特點(diǎn)是通過(guò)強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。

　　80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（雙擴(kuò)散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體）工藝被采用到IGBT中來(lái)。[2]在那個(gè)時(shí)候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT（非穿通）型設(shè)計(jì)。后來(lái)，通過(guò)采用PT（穿通）型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個(gè)顯著改進(jìn)，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進(jìn)步，以及采用對(duì)應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計(jì)的n+緩沖層而進(jìn)展的[3]。幾年當(dāng)中，這種在采用PT設(shè)計(jì)的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)規(guī)則從5微米先進(jìn)到3微米。

　　90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成（LSI）工藝借鑒來(lái)的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結(jié)構(gòu)。[4]在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時(shí)間之間折衷的更重要的改進(jìn)。

　　硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通（LPT）結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。

　　這次從穿通（PT）型技術(shù)先進(jìn)到非穿通（NPT）型技術(shù)，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術(shù)會(huì)有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對(duì)少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制致使其輸運(yùn)效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)則是基于不對(duì)少子壽命進(jìn)行殺傷而有很好的輸運(yùn)效率，不過(guò)其載流子注入系數(shù)卻比較低。進(jìn)而言之，非穿通（NPT）技術(shù)又被軟穿通（LPT）技術(shù)所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場(chǎng)截止”（FS）型技術(shù)，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進(jìn)一步改善。

　　1996年，CSTBT（載流子儲(chǔ)存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實(shí)現(xiàn)[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進(jìn)的寬元胞間距的設(shè)計(jì)。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向?qū)ㄐ汀保鎸?dǎo)型）功能的IGBT器件的新概念正在進(jìn)行研究，以求得進(jìn)一步優(yōu)化。

　　IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無(wú)源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)。

　　現(xiàn)在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅(qū)動(dòng)電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路.其性能更好,整機(jī)的可靠性更高及體積更小。

　　根據(jù)前面描述的IGBT的工作原理，可以得到如圖所示的IGBT輸出特性。

　?。╝）IGBT的輸出特性（n溝道增強(qiáng)型） （b）轉(zhuǎn)移特性IC=f(VCE)

　　IGBT的輸出特性與轉(zhuǎn)移特性

　　 IGBT與MOSFET的對(duì)比

　　MOSEFT全稱功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它的三個(gè)極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(C)。主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。缺點(diǎn)：擊穿電壓低，工作電流小。 IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。特點(diǎn)：擊穿電壓可達(dá)1200V，集電極最大飽和電流已超過(guò)1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上，工作頻率可達(dá)20kHz。

　　IGBT模塊簡(jiǎn)介

　　IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫(xiě)，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

　　IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級(jí)的漏電流流過(guò)，基本上不消耗功率。

　　圖1 IGBT的等效電路

　　1 IGBT模塊的選擇

　　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(jiàn)下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。

　　2 使用中的注意事項(xiàng)

　　由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)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)致柵極擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：

　　在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)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(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

　　此外，在柵極—發(fā)射極間開(kāi)路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過(guò)，柵極電位升高，集電極則有電流流過(guò)。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。

　　在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開(kāi)路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。

　　在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。

　　3 保管時(shí)的注意事項(xiàng)

　　一般保存IGBT模塊的場(chǎng)所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5～35℃ ，常濕的規(guī)定在45～75％左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕; 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合； 在溫度發(fā)生急劇變化的場(chǎng)所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時(shí)，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。

　　IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時(shí)的注意事項(xiàng)對(duì)實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。

在中大功率的開(kāi)關(guān)電源裝置中,IGBT由于其控制驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn),已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開(kāi)關(guān)電源裝置中,由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它容易損壞,另外,電源作為系統(tǒng)的前級(jí),由于受電網(wǎng)波動(dòng)、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大,故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而,在選擇IGBT時(shí)除了要作降額考慮外,對(duì)IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)也是電源設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　1 IGBT的工作原理

IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知,若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓,則MOSFET導(dǎo)通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止。

由此可知,IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：

——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;

——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;

——流過(guò)IGBT集電極－發(fā)射極的電流;

——IGBT的結(jié)溫。

如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過(guò)高超過(guò)柵極－發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過(guò)集電極－發(fā)射極之間的耐壓,流過(guò)IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過(guò)集電極－發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會(huì)永久性損壞。

　　2 保護(hù)措施

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)針對(duì)影響IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2．1 IGBT柵極的保護(hù)

IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓VGE的保證值為±20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓,則可能會(huì)損壞IGBT,因此,在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵壓限幅電路。另外,若IGBT的柵極與發(fā)射極間開(kāi)路,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極－發(fā)射極有電流流過(guò)。這時(shí)若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時(shí),可能會(huì)使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在運(yùn)輸或振動(dòng)過(guò)程中使得柵極回路斷開(kāi),在不被察覺(jué)的情況下給主電路加上電壓,則IGBT就可能會(huì)損壞。為防止此類情況發(fā)生,應(yīng)在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十kΩ的電阻,此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極。如圖2所示。

由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復(fù)合體,特別是其柵極為MOS結(jié)構(gòu),因此除了上述應(yīng)有的保護(hù)之外,就像其他MOS結(jié)構(gòu)器件一樣,IGBT對(duì)于靜電壓也是十分敏感的,故而對(duì)IGBT進(jìn)行裝配焊接作業(yè)時(shí)也必須注意以下事項(xiàng)：

——在需要用手接觸IGBT前,應(yīng)先將人體上的靜電放電后再進(jìn)行操作,并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動(dòng)端子部分,必須接觸時(shí)要保證此時(shí)人體上所帶的靜電已全部放掉;

——在焊接作業(yè)時(shí),為了防止靜電可能損壞IGBT,焊機(jī)一定要可靠地接地。

2．2 集電極與發(fā)射極間的過(guò)壓保護(hù)

過(guò)電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況,一種是施加到IGBT集電極－發(fā)射極間的直流電壓過(guò)高,另一種為集電極－發(fā)射極上的浪涌電壓過(guò)高。

2.2.1 直流過(guò)電壓

直流過(guò)壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級(jí)輸入發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時(shí),進(jìn)行降額設(shè)計(jì);另外,可在檢測(cè)出這一過(guò)壓時(shí)分?jǐn)郔GBT的輸入,保證IGBT的安全。

2.2.2 浪涌電壓的保護(hù)

因?yàn)殡娐分蟹植茧姼械拇嬖?加之IGBT的開(kāi)關(guān)速度較高,當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt,威脅IGBT的安全。

通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示。

圖中：vCE為IGBT?電極－發(fā)射極間的電壓波形;

ic為IGBT的集電極電流;

Ud為輸入IGBT的直流電壓;

VCESP=Ud＋Ldic/dt,為浪涌電壓峰值。

如果VCESP超出IGBT的集電極－發(fā)射極間耐壓值VCES,就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：

——在選取IGBT時(shí)考慮設(shè)計(jì)裕量;

——在電路設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整IGBT驅(qū)動(dòng)電路的Rg,使di/dt盡可能小;

——盡量將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;

——根據(jù)情況加裝緩沖保護(hù)電路,旁路高頻浪涌電壓。

由于緩沖保護(hù)電路對(duì)IGBT的安全工作起著很重要的作用,在此將緩沖保護(hù)電路的類型和特點(diǎn)作一介紹。

—C緩沖電路如圖4(a)所示,采用薄膜電容,靠近IGBT安裝,其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,其缺點(diǎn)是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成LC諧振電路,易產(chǎn)生電壓振蕩,而且IGBT開(kāi)通時(shí)集電極電流較大。

——RC緩沖電路如圖4(b)所示,其特點(diǎn)是適合于斬波電路,但在使用大容量IGBT時(shí),必須使緩沖電阻值增大,否則,開(kāi)通時(shí)集電極電流過(guò)大,使IGBT功能受到一定限制。

——RCD緩沖電路如圖4(c)所示,與RC緩沖電路相比其特點(diǎn)是,增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大,避開(kāi)了開(kāi)通時(shí)IGBT功能受阻的問(wèn)題。

該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗為

P=LI2f＋CUd2f式中：L為主電路中的分布電感;

I為IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流;

f為IGBT的開(kāi)關(guān)頻率;

C為緩沖電容;

Ud為直流電壓值。

——放電阻止型緩沖電路如圖4(d)所示,與RCD緩沖電路相比其特點(diǎn)是,產(chǎn)生的損耗小,適合于高頻開(kāi)關(guān)。

在該緩沖電路中緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗為

P=1/2LI2f+1/2CUf

根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)木彌_保護(hù)電路,抑制關(guān)斷浪涌電壓。在進(jìn)行裝配時(shí),要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感,接線越短越粗越好。

2．3 集電極電流過(guò)流保護(hù)

對(duì)IGBT的過(guò)流保護(hù),主要有3種方法。

2.3.1 用電阻或電流互感器檢測(cè)過(guò)流進(jìn)行保護(hù)

如圖5（a）及圖5（b）所示,可以用電阻或電流互感器與IGBT串聯(lián),檢測(cè)流過(guò)IGBT集電極的電流。當(dāng)有過(guò)流情況發(fā)生時(shí),控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷開(kāi)IGBT的輸入,達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

2.3.2 由IGBT的VCE(sat)檢測(cè)過(guò)流進(jìn)行保護(hù)

如圖5（c）所示,因VCE(sat)=IcRCE(sat),當(dāng)Ic增大時(shí),VCE(sat)也隨之增大,若柵極電壓為高電平,而VCE為高,則此時(shí)就有過(guò)流情況發(fā)生,此時(shí)與門(mén)輸出高電平,將過(guò)流信號(hào)輸出,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷開(kāi)IGBT的輸入,保護(hù)IGBT。

2.3.3 檢測(cè)負(fù)載電流進(jìn)行保護(hù)

此方法與圖5（a）中的檢測(cè)方法基本相同,但圖5（a）屬直接法,此屬間接法,如圖5（d）所示。若負(fù)載短路或負(fù)載電流加大時(shí),也可能使前級(jí)的IGBT的集電極電流增大,導(dǎo)致IGBT損壞。由負(fù)載處（或IGBT的后一級(jí)電路）檢測(cè)到異常后,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)切斷IGBT的輸入,達(dá)到保護(hù)的目的。

2．4 過(guò)熱保護(hù)

一般情況下流過(guò)IGBT的電流較大,開(kāi)關(guān)頻率較高,故而器件的損耗也比較大,如果熱量不能及時(shí)散掉,使得器件的結(jié)溫Tj超過(guò)Tjmax,則IGBT可能損壞。

IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)動(dòng)耗,其動(dòng)態(tài)功耗又包括開(kāi)通功耗和關(guān)斷功耗。在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí),不僅要保證其在正常工作時(shí)能夠充分散熱,而且還要保證其在發(fā)生短時(shí)過(guò)載時(shí),IGBT的結(jié)溫也不超過(guò)Tjmax。

當(dāng)然,受設(shè)備的體積和重量等的限制以及性價(jià)比的考慮,散熱系統(tǒng)也不可能無(wú)限制地?cái)U(kuò)大?？稍诳拷麵GBT處加裝一溫度繼電器等,檢測(cè)IGBT的工作溫度?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)生異常時(shí)切斷IGBT的輸入,保護(hù)其安全。

??? 除此之外,將IGBT往散熱器上安裝固定時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

——由于熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同,因此,若在散熱器上僅安裝一個(gè)IGBT時(shí),應(yīng)將其安裝在正中間,以便使得熱阻最小;當(dāng)要安裝幾個(gè)IGBT時(shí),應(yīng)根據(jù)每個(gè)IGBT的發(fā)熱情況留出相應(yīng)的空間;

——使用帶紋路的散熱器時(shí),應(yīng)將IGBT較寬的方向順著散熱器的紋路,以減少散熱器的變形;

——散熱器的安裝表面光潔度應(yīng)≤10μm,如果散熱器的表面不平,將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻,甚至在IGBT的管芯和管殼之間的襯底上產(chǎn)生很大的張力,損壞IGBT的絕緣層;

——為了減少接觸熱阻,最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。

　　3 結(jié)語(yǔ)

在應(yīng)用IGBT時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,采取相應(yīng)的保護(hù)措施。只要在過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等幾個(gè)方面都采取有效的保護(hù)措施后,在實(shí)際應(yīng)用中均能夠取得良好的效果,保證IGBT安全可靠地工作。