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。
在使用IGBT模塊時,盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分,當要觸摸模塊端子時,要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后,再觸摸; 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時,在配線未接好之前請先不要接上模塊; 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時雖然了柵驅(qū)動電壓沒有超過柵大額定電壓,但柵連線的寄生電感和柵與集電間的電容耦合,也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此,通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號,以減少寄生電感。在柵連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。
此外,在柵—發(fā)射間開路時,若在集電與發(fā)射間加上電壓,則隨著集電電位的變化,由于集電有漏電流流過,柵電位升高,集電則有電流流過。這時,如果集電與發(fā)射間存在高電壓,則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。
在安裝或更換IGBT模塊時,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,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扇,當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱,而發(fā)生故障。因此對散熱風扇應(yīng)定期進行檢查,一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器,當溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。
一般保存IGBT模塊的場所,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),需用加濕機加濕; 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合; 在溫度發(fā)生急劇變化的場所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,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。
由于IGBT在電能轉(zhuǎn)換中扮演的重要角色,它能夠為各種高電壓和大電流應(yīng)用提供更高的效率和節(jié)能效果,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、新能源、變頻家電等領(lǐng)域。特別是在新能源汽車中,IGBT 模塊占電動車整車成本約5%左右,是除電池之外成本第二高的元件。根據(jù)IHS預(yù)測,全球汽車電動化用IGBT模塊未來5年復(fù)合增長率高達23.5%。目前國內(nèi)IGBT供需差距,國產(chǎn)量僅為市場銷量的七分之一。
2018 年 IGBT 模塊需求量為7898萬只,但是國內(nèi)產(chǎn)量只有1115萬只,供需缺口。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露,IGBT整體市場規(guī)模會保持每年10%以上的增長速度,主要受益于新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。但是國產(chǎn)IGBT的增長速度會遠此,以上市公司斯達半導(dǎo)體為例,2016年至2018年,連續(xù)保持45%以上的增長率。國內(nèi)諸多公司以IGBT為主營業(yè)務(wù)的公司實現(xiàn)了高速增長。
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。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。
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IGBT功率模塊
IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動,各種驅(qū)動保護電路,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,進步系統(tǒng)效率,現(xiàn)已開發(fā)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。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱門。
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向電壓,柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當選擇這些驅(qū)動電路時,基于以下的參數(shù)來進行: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。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,遠遠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”。