IGBT功率模塊

igbt功率模塊是電壓型控制，輸入阻抗大，驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，開關(guān)損耗小，通斷速度快，工作頻率高，元件容量大等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)質(zhì)是個(gè)復(fù)合功率器件，它集雙極型功率晶體管和功率mosfet的優(yōu)點(diǎn)于一體化。又因先進(jìn)的加工技術(shù)使它通態(tài)飽和電壓低，開關(guān)頻率高(可達(dá)20khz)，這兩點(diǎn)非常顯著的特性，最近西門子公司又推出低飽和壓降(2.2v)的npt-igbt性能更佳，相繼東芝、富士、ir,摩托羅拉亦己在開發(fā)研制新品種。

igbt是先進(jìn)的第三代功率模塊，工作頻率1-20khz,主要應(yīng)用在變頻器的主回路逆變器及一切逆變電路，即dc/ac變換中。例電動(dòng)汽車、伺服控制器、ups、開關(guān)電源、斬波電源、無(wú)軌電車等。問(wèn)世迄今有十年多歷史，幾乎己替代一切其它功率器件，例scr.gto,gtr,mosfet,雙極型達(dá)林頓管等淚今功率可高達(dá)1mw的低頻應(yīng)用中，單個(gè)元件電壓可達(dá)4.okv(pt結(jié)構(gòu))一6.5kv(npt結(jié)構(gòu))，電流可達(dá)1.5ka,是較為理想的功率模塊。

a,柵極與任何導(dǎo)電區(qū)要絕緣，以免產(chǎn)生靜電而擊穿，所以包裝時(shí)將g極和e極之間要有導(dǎo)電泡沫塑料，將它短接。裝配時(shí)切不可用手指直接接觸，直到g極管腳進(jìn)行永久性連接。 b、主電路用螺絲擰緊，控制極g要用插件，盡可能不用焊接方式。 c、裝卸時(shí)應(yīng)采用接地工作臺(tái)，接地地面，接地腕帶等防靜電措施。 d、儀器測(cè)量時(shí)，將1000電阻與g極串聯(lián)。 e、要在無(wú)電源時(shí)進(jìn)行安裝。 f,焊接g極時(shí)，電烙鐵要停電并接地，選用定溫電烙鐵最合適。當(dāng)手工焊接時(shí)，溫度2601c15'c.時(shí)間(10士1)秒，松香焊劑。波峰焊接時(shí)，pcb板要預(yù)熱80'c-]05'c,在245℃時(shí)浸入焊接3-4

IPM的基本工作特性

IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，如圖1所示。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合，由MOSFET驅(qū)動(dòng)GTR，因而IGBT具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。

IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內(nèi)部封裝一個(gè)IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個(gè)IGBT)。小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。

IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比，IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。

保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)(FO)。各種保護(hù)功能具體如下:

(1)控制電壓欠壓保護(hù)(UV):IPM使用單一的+15V供電，若供電電壓低于12.5V，且時(shí)間超過(guò)toff=10ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。

(2)過(guò)溫保護(hù)(OT):在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)IPM溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)溫保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。

(3)過(guò)流保護(hù)(OC):若流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)toff，則發(fā)生過(guò)流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt，大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。其中，VG為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)電壓，ISC為短路電流值，IOC為過(guò)流電流值，IC為集電極電流，IFO為故障輸出電流。

(4)短路保護(hù)(SC):若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。跟過(guò)流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt，大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。為縮短過(guò)流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間，IPM內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)，使響應(yīng)時(shí)間小于100ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。

當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一故障時(shí)，其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間tFO為1.8ms(SC持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些)，此時(shí)間內(nèi)IPM會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷IPM;故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道開放。

可以看出，器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果tFO結(jié)束后故障源仍舊沒(méi)有排除，IPM就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過(guò)程，反復(fù)動(dòng)作。過(guò)流、短路、過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作，因此僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。

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)。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。特別是用作高頻開關(guān)時(shí)，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。

IGBT Modules 在使用中的注意事項(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。