IGBT功能应用是什么

本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 09:51 编辑

IGBT单管：分立IGBT，封装较模块小，电流通常在50A以下，常见有TO247 TO3P等封装。
IGBT模块：即模块化封装的IGBT芯片。常见的有1in1,2in1,6in1等。
PIM模块：集成整流桥+制动单元+三相逆变
IPM模块：即智能功率模块，集成门级驱动及保护功能（热保护，过流保护等）的IGBT模块。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。IGBT基本结构见图1中的纵剖面图及等效电路。  
导通  
IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。  
当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)； 空穴电流(双极)。  
关断  
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。  
鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、 IC和 TC之间的关系如图2所示。  
反向阻断  
当集电极被施加一个反向电压时， J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。  
第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。  
正向阻断  
当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。  
闩锁  
IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，如图1所示。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：  
当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。  
只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区 。  
为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：  
防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。  
降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。  
此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。  
正向导通特性  
在通态中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET驱动的PNP晶体管建模。图3所示是理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件(寄生元件不考虑在内)。  
如图所示，IC是VCE的一个函数(静态特性)，假如阴极和阳极之间的压降不超过0.7V，即使栅信号让MOSFET沟道形成(如图所示)，集电极电流IC也无法流通。当沟道上的电压大于VGE -Vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于IGBT结构中含有一个双极MOSFET和一个功率MOSFET，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率MOSFET的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。本图描述了VCE(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某一电流率的VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候，用一个NPT进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的PT器件相比，使用NPT会造成压降增加。  
动态特性  
动态特性是指IGBT在开关期间的特性。鉴于IGBT的等效电路，要控制这个器件，必须驱动MOSFET 元件。  
这就是说，IGBT的驱动系统实际上应与MOSFET的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。如前文所述，当通过栅极提供栅正偏压时，在MOSFET部分形成一个N沟道。如果这一电子流产生的电压处于0.7V范围内， P+ / N- 则处于正向偏压控制，少数载流子注入N区，形成一个空穴双极流。导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函数。通过改变栅电阻Rg (图4)值来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，输出寄生电容Cge和 Cgc可实现不同的电荷速率。  
换句话说，通过改变 Rg值，可以改变与Rg (Cge+C**) 值相等的寄生净值的时间常量(如图4所示)，然后，改变*V/dti。数据表中常用的驱动电压是15V。一个电感负载的开关波形见图5，di/dt是Rg的一个函数，如图6所示，栅电阻对IGBT的导通速率的影响是很明显的。  
因为Rg数值变化也会影响dv/dt斜率，因此，Rg值对功耗的影响很大 。  
在关断时，再次出现了我们曾在具有功率MOSFET和 BJT 器件双重特性的等效模型中讨论过的特性。当发送到栅极的信号降低到密勒效应初始值时，VCE开始升高。如前文所述，根据驱动器的情况，VCE达到最大电平而且受到Cge和 Cgc的密勒效应影响后，电流不会立即归零，相反会出现一个典型的尾状，其长度取决于少数载流子的寿命。  
在IGBT处于正偏压期间，这些电荷被注入到N区，这是IGBT与MOSFET开关对比最不利特性之主要原因。降低这种有害现象有多种方式。例如，可以降低导通期间从P+基片注入的空穴数量的百分比，同时，通过提高掺杂质水平和缓冲层厚度，来提高重组速度。由于VCE(sat) 增高和潜在的闩锁问题，这种排除空穴的做法会降低电流的处理能力。  
安全运行区SOA  
按电流和电压划分，一个IGBT的安全运行区可以分为三个主要区域，如下表所示：  
这三个区域在图8中很容易识别 。  
通常每一张数据表都提供了正向导通(正向偏置安全运行区FBSOA)、反向(反向偏置安全运行区RBSOA)和短路(短路安全运行SCSOA)时描述强度的曲线。  
详细内容：  
FBSOA  
这部分安全运行区是指电子和空穴电流在导通瞬态时流过的区域。在IC处于饱和状态时，IGBT所能承受的最大电压是器件的物理极限，如图8所示。  
RBSOA  
这个区域表示栅偏压为零或负值但因空穴电流没有消失而IC依然存在时的关断瞬态。如前文所述，如果电流增加过多，寄生晶体管会引发闩锁现象。当闩锁发生时，栅极将无法控制这个器件。最新版的IGBT没有这种类型的特性，因为设计人员改进了IGBT的结构及工艺，寄生SCR的触发电流较正常工作承受的触发电流(典型Ilatch>5 IC 正常)高出很多。关于闭锁电流分别作为结温和栅电阻的一个函数的变化情况，见图9和10。  
SCSOA  
SCSOA是在电源电压条件下接通器件后所测得的驱动电路控制被测试器件的时间最大值。图11所示是三个具有等效特性但采用不同技术制造的器件的波形及关断时间 。  
最大工作频率  
开关频率是用户选择适合的IGBT时需考虑的一个重要的参数，所有的硅片制造商都为不同的开关频率专门制造了不同的产品。  
特别是在电流流通并主要与VCE(sat)相关时，把导通损耗定义成功率损耗是可行的。  
这三者之间的表达式：Pcond = VCE IC ，其中， 是负载系数。  
开关损耗与IGBT的换向有关系；但是，主要与工作时的总能量消耗Ets相关，并与终端设备的频率的关系更加紧密。  
Psw = Ets  
总损耗是两部分损耗之和：  
Ptot = Pcond + Psw  
在这一点上，总功耗显然与Ets 和 VCE(sat)两个主要参数有内在的联系。  
这些变量之间适度的平衡关系，与IGBT技术密切相关，并为客户最大限度降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。  
因此，为最大限度地降低功耗，根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的电平特性，用户应选择不同的器件


IGBT的工作特征是什么
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与 栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控 制， Ugs 越高， Id 越大。它与 GTR 的输出特性相似．也可分为饱和 区 1 、放大区 2 和击穿特性 3 部分。在截止状态下的 IGBT ，正向电 压由 J2 结承担，反向电压由
IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的 关系曲线。它与 MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电 压 Ugs(th) 时， IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电 流范围内， Id 与 Ugs 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限 制，其最佳值一般取为 15V 左右。
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。 IGBT 处于导通态时，由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其 B 值 极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压 Uds(on) 可用下式表示
Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh （ 2 － 14 ）
式中 Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为 0.7 ～ IV ；
Udr ——扩展电阻 Rdr 上的压降；
Roh ——沟道电阻。
Ids=(1+Bpnp)Imos (2 － 15 ）
式中 Imos ——流过 MOSFET 的电流。 由于 N+ 区存在电导调制效应，所以 IGBT 的通态压降小，耐压 1000V 的 IGBT 通态压降为 2 ～ 3V 。
IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
      动态特性 IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为 MOSFET 来运行的，只是在漏源电压 Uds 下降过程后期， PNP 晶体 管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。 td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间 ton 即为 td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成， IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。
因为 MOSFET 关断后， PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间， td(off) 为关断延迟时间， trv 为电压 Uds(f) 的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf t(f1) 和 t(f2) 两段组成


IGBT逆变焊机与可控硅整流焊机相比省电多少
IGBT逆变焊机与其他类焊机的区别
一、与可控硅整流焊机的区别 1、可控硅整流焊机是将50HZ的交流电整流成直流电输出，通过改变可控硅的导通角来改变输出大小，输出波形..
一、与可控硅整流焊机的区别
1、可控硅整流焊机是将50HZ的交流电整流成直流电输出，通过改变可控硅的导通角来改变输出大小，输出波形不平滑，所以焊接效果不好，引弧及其他一些控制功能差。
IGBT焊机是将交流电整流后，经过IGBT逆变，再经中频变压器降压，经过二次整流后输出，输出波形好，通过脉宽调制控制IGBT逆变器的导通时间改变输出的大小。引弧及推力电流易于控制。
2、可控硅整流焊机体积大，较为笨重，不便于搬运和移动，而IGBT焊机由于逆变频率高达20-30KHZ，所以变压器体积小，重量轻，易于搬运。
3、逆变焊机比整流焊机省电约30%左右。
4、IGBT逆变焊机控制及主电路较为简单。加之北京时代焊机采用软开关的逆变技术，所以可靠性高，故障点少，易于维修。
二、与SCR逆变焊机的区别
1、可控硅是电流型控制元件，控制较复杂，也是半控元件，一般采用调频方式来控制；IGBT是电压型控制元件，易于控制，一般采用脉宽调制。
2、逆变频率不同：由于SCR的开关时间较长，所以频率不能太高，一般在3-5KHZ左右，而IGBT器件的开关频率较高。IGBT模块可达30KHZ左右，IGBT单管开关频率更高，达50KHZ以上。
3、由于频率提高，焊机的输出特性及波形更易于控制，可以得到更好输出特性，同时变压器的体积也比SCR焊机小，减轻了焊机重量，更易于搬运。
4、 逆变焊机比普通可控硅整流焊机，焊机省电30%左右。
5、由于IGBT焊机控制及主电路较SCR焊机简单，我公司又采用软开关逆变技术，所以产品可靠性高，故障点较少，易于维修。
6、一般的可控硅逆变焊机，采用的是半桥式逆变技术，IGBT焊机采用的全桥逆变， 北京时代焊机采用了自主研发的带有软开关的逆变技术，使IGBT的寿命得到显著延长。
7、IGBT控制技术已经非常成熟，是新一代逆变器的主流器件
转载自电子发烧友网