IGBT模塊簡介

IGBT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、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

1979年，MOS柵功率開關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個類晶閘管的結(jié)構(gòu)(P-N-P-N四層組成)，其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。

80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS(雙擴散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體)工藝被采用到IGBT中來。[2]在那個時候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT(非穿通)型設(shè)計。后來，通過采用PT(穿通)型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進步，以及采用對應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計的n 緩沖層而進展的[3]。幾年當中，這種在采用PT設(shè)計的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計規(guī)則從5微米先進到3微米。

90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成(LSI)工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術(shù)實現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通(PT)型芯片結(jié)構(gòu)。[4]在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時間之間折衷的更重要的改進。

硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通(NPT)結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通(LPT)結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)(SOA)得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。

這次從穿通(PT)型技術(shù)先進到非穿通(NPT)型技術(shù)，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通(PT)技術(shù)會有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對少數(shù)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(shù)則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進而言之，非穿通(NPT)技術(shù)又被軟穿通(LPT)技術(shù)所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”(SPT)或“電場截止”(FS)型技術(shù)，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晶體管)使第5代IGBT模塊得以實現(xiàn)[6]，它采用了弱穿通(LPT)芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進的寬元胞間距的設(shè)計。包括一種“反向阻斷型”(逆阻型)功能或一種“反向?qū)ㄐ汀?逆導(dǎo)型)功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優(yōu)化。

IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動，各種驅(qū)動保護電路，高性能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，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(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，提高系統(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)展熱點。

大電流高電壓的IGBT已模塊化，它的驅(qū)動電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外，已制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動電路。其性能更好，整機的可靠性更高及體積更小。

igbt模塊選擇

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。

igbt模塊測量

靜態(tài)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(yīng)為無窮大; 表筆對調(diào),顯示電阻應(yīng)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(yīng)為無窮大;表筆對調(diào),顯示電阻應(yīng)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(tài)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(yīng)為300-400歐,把表筆對調(diào)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(fā)導(dǎo)通，萬用表的指針擺向阻值 較小的方向，并能站住指示在某一位置。然后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?！∽⒁猓喝暨M第二次測量時，應(yīng)短接一下源極(S)和柵極(G)?！∪魏沃羔樖饺f用表皆可用于檢測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(nèi)部電池電壓太低，檢測好壞時不能使IGBT 導(dǎo)通，而無法判斷IGBT 的好壞。

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)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一?！∫虼耸褂弥幸⒁庖韵聨c：

1. 在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當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行放電后，再觸摸;

2. 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;

3. 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 。

1. 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;

2. 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合;

3. 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;

4. 保管時，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物;

5. 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。

6. 檢測IGBT模塊的的辦法。

igbt功率模塊是電壓型控制，輸入阻抗大，驅(qū)動功率小，控制電路簡單，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。實質(zhì)是個復(fù)合功率器件，它集雙極型功率晶體管和功率mosfet的優(yōu)點于一體化。又因先進的加工技術(shù)使它通態(tài)飽和電壓低，開關(guān)頻率高（可達20khz），這兩點非常顯著的特性，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。