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IGBT的基本結構,參數選擇,使用注意事項
IGBT的基本結構,參數選擇,使用注意事項
 更新時間:2008-7-27 15:12:17  點擊數:5
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1.IGBT的基本結構

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)本質上是一個場效應晶體管,只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個 P 型層。根據國際電工委員會的文件建議,其各部分名稱基本沿用場效應晶體管的相應命名。

1所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構,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)另一側的 P+ 區(qū)稱為漏注入區(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,進行導電調制,以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入區(qū)上的電極稱為漏極。

為了兼顧長期以來人們的習慣,IEC規(guī)定:源極引出的電極端子(含電極端)稱為發(fā)射極端(子),漏極引出的電極端(子)稱為集電極端(子)。這又回到雙極晶體管的術語了。但僅此而已。

IGBT的結構剖面圖如圖2所示。它在結構上類似于MOSFET ,其不同點在于IGBT是在N溝道功率MOSFET 的N+基板(漏極)上增加了一個P+ 基板(IGBT 的集電極),形成PN結j1 ,并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET相似。

      

1      N溝道IGBT結構                     2      IGBT的結構剖面圖

由圖2可以看出,IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)GTR ,其簡化等效電路如圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR的擴展電阻。IGBT是以GTR 為主導件、MOSFET 為驅動件的復合結構。

N溝道IGBT的圖形符號有兩種,如圖4所示。實際應用時,常使用圖2-5所示的符號。對于P溝道,圖形符號中的箭頭方向恰好相反,如圖4所示。

     

IGBT 的開通和關斷是由柵極電壓來控制的。當柵極加正電壓時,MOSFET 內形成溝道,并為PNP晶體管提供基極電流,從而使IGBT導通,此時,從P+區(qū)注到N一區(qū)進行電導調制,減少N一區(qū)的電阻 Rdr值,使高耐壓的 IGBT 也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負電壓時,MOSFET 內的溝道消失,PNP晶體管的基極電流被切斷,IGBT 即關斷。

正是由于 IGBT 是在N 溝道 MOSFET 的 N+ 基板上加一層 P+ 基板,形成了四層結構,由PNP-NPN晶體管構成 IGBT 。但是,NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路,設計時盡可能使NPN不起作用。所以說, IGBT 的基本工作與NPN晶體管無關,可以認為是將 N 溝道 MOSFET 作為輸入極,PNP晶體管作為輸出極的單向達林頓管。

采取這樣的結構可在 N一層作電導率調制,提高電流密度。這是因 為從 P+ 基板經過 N+ 層向高電阻的 N一層注入少量載流子的結果。 IGBT 的設計是通過 PNP-NPN 晶體管的連接形成晶閘管。

2.IGBT模塊的術語及其特性術語說明

術語

符號

定義及說明(測定條件參改說明書)

集電極、發(fā)射極間電壓

VCES

柵極、發(fā)射極間短路時的集電極,發(fā)射極間的最大電壓

柵極發(fā)極間電壓

VGES

集電極、發(fā)射極間短路時的柵極,發(fā)射極間最大電壓

集電極電流

IC

集電極所允許的最大直流電流

耗散功率

PC

單個IGBT所允許的最大耗散功率

結溫

Tj

元件連續(xù)工作時芯片溫廈

關斷電流

ICES

柵極、發(fā)射極間短路,在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時的集電極電流。

電流

IGES

集電極、發(fā)射極間短路,在柵極、集電極間加上指定的電壓時的柵極漏電流

飽和壓降

V CE(sat)

在指定的集電極電流和柵極電壓的情況下,集電極、發(fā)射極間的電壓。

輸入電容

Clss

集電極、發(fā)射極間處于交流短路狀態(tài),在柵極、發(fā)射極間及集電極、發(fā)射極間加上指定電壓時,柵極、發(fā)射極間的電容

         3.IGBT模塊使用上的注意事項

1. IGBT模塊的選定

在使用IGBT模塊的場合,選擇何種電壓,電流規(guī)格的IGBT模塊,需要做周密的考慮。

a. 電流規(guī)格

IGBT模塊的集電極電流增大時,VCE(-)上升,所產生的額定損耗亦變大。同時,開關損耗增大,原件發(fā)熱加劇。因此,根據額定損耗,開關損耗所產生的熱量,控制器件結溫(Tj)在 150oC以下(通常為安全起見,以125oC以下為宜),請使用這時的集電流以下為宜。特別是用作高頻開關時,由于開關損耗增大,發(fā)熱也加劇,需十分注意。
一般來說,要將集電極
電流的最大值控制在直流額定電流以下使用,從經濟角度這是值得推薦的。

b.電壓規(guī)格

IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即市電電源電壓緊密相關。其相互關系列于表1。根據使用目的,并參考本表,請選擇相應的元件。

元器件電壓規(guī)格

600V

1200V

1400V

電源

電壓

200V;220V;230V;240V

346V;350V;380V;400V;415V;440V

575V

2. 防止靜電

IGBT的VGE的耐壓值為±20V,在IGBT模塊上加出了超出耐壓值的電壓的場合,由于會導致?lián)p壞的危險,因而在柵極-發(fā)射極之間不能超出耐壓值的電壓,這點請注意。

在使用裝置的場合,如果柵極回路不合適或者柵極回路完全不能工作時(珊極處于開路狀態(tài)),若在主回路上加上電壓,則IGBT就會損壞,為防止這類損壞情況發(fā)生,應在柵極一發(fā)射極之間接一只10kΩ左左的電阻為宜。

此外,由于IGBT模塊為MOS結構,對于靜電就要十分注意。因此,請注意下面幾點:

1)      在使用模塊時,手持分裝件時,請勿觸摸驅動端子部份。

2)      在用導電材料連接驅動端子的模塊時,在配線未布好之前,請先不要接上模塊。

3)      盡量在底板良好接地的情況下操作。

4)      當必須要觸摸模塊端子時,要先將人體或衣服上的靜電放電后,再觸摸。

5)      在焊接作業(yè)時,焊機與焊槽之間的漏泄容易引起靜電壓的產生,為了防止靜電的產生,請先將焊機處于良好的接地狀態(tài)下。

6)      裝部件的容器,請選用不帶靜電的容器。

3.并聯(lián)問題

用于大容量逆變器等控制大電流場合使用IGBT模塊時,可以使用多個器件并聯(lián)。

并聯(lián)時,要使每個器件流過均等的電流是非常重要的,如果一旦電流平衡達到破壞,那么電過于集中的那個器件將可能被損壞。
       為使并聯(lián)時電流能平衡,適當改變器件的特性及接線方法。例如。挑選器件的VCE(sat)相同的并聯(lián)是很重要的。

4.其他注意事項

1)      保存半導體原件的場所的溫度,溫度,應保持在常溫常濕狀態(tài),不應偏離太大。常溫的規(guī)定為5-35℃,常濕的規(guī)定為45—75%左右。

2)      開、關時的浪涌電壓等的測定,請在端子處測定。

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