IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(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)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小,開關(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、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
一、簡介
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(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)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小,開關(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、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。圖1所示為一個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 的開關(guān)作用是通過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,加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動方法和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,也具有低的通態(tài)電壓。
IGBT模塊的選擇
二、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失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn):
在使用模塊時,盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分,當(dāng)必須要觸摸模塊端子時,要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)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)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)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(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)射極間開路時,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,柵極電位升高,集電極則有電流流過。這時,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的場合,當(dāng)柵極回路不正?;驏艠O回路損壞時(柵極處于開路狀態(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,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將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱,而發(fā)生故障。因此對散熱風(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)溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。
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)系見下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時,所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時,開關(guān)損耗增大,使原件發(fā)熱加劇,因此,選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時,由于開關(guān)損耗增大,發(fā)熱加劇,選用時應(yīng)該降等使用。
三、保管時的注意事項(xiàng)
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(jī)加濕; 盡量遠(yuǎn)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。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,了解選擇及使用時的注意事項(xiàng)對實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。
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