基本介紹
- 中文名：IGBT模組
- 外文名：Insulated Gate Bipolar Transistor
- 驅動功率：小
- 優點：和壓降低
簡介,發展歷史,選擇方法,選擇,測量,注意事項,
簡介
IGBT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。
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[6]，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。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。
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，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。
選擇方法
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。
測量
靜態測量:把萬用表放在乘100檔,測量黑表筆接1端子、紅表筆接2端子,顯示電阻應為無窮大; 表筆對調,顯示電阻應在400歐左右.用同樣的方法,測量黑表筆接3端子、紅表筆接1端子, 顯示電阻應為無窮大;表筆對調,顯示電阻應在400歐左右.若符合上述情況表明此IGBT的兩個單元沒有明顯的故障. 動態測試: 把萬用表的檔位放在乘10K檔,用黑表筆接4端子,紅表筆接5端子,此時黑表筆接3端子紅表筆接1端子, 此時電阻應為300-400歐,把表筆對調也有大約300-400歐的電阻表明此IGBT單元是完好的. 用同樣的方法測試1、2端子間的IGBT,若符合上述的情況表明該IGBT也是完好的。 將萬用表撥在R×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT 的漏極(D)，紅表筆接IGBT 的源極(S)，此時萬用表的指針指在無窮處。用手指同時觸及一下柵極(G)和漏極(D)，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源極(S)和柵極(G)，這時IGBT 被阻 斷，萬用表的指針回到無窮處。此時即可判斷IGBT 是好的。 注意：若進第二次測量時，應短接一下源極(S)和柵極(G)。 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×1K Ω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。
注意事項
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：
1. 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;
2. 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;
3. 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。
1. 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;
2. 儘量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合;
3. 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;
4. 保管時，須注意不要在IGBT模組上堆放重物;
5. 裝IGBT模組的容器，應選用不帶靜電的容器。
6. 檢測IGBT模組的的辦法。
