IGBT器件 篇1
1 现代电力电子器件
现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件, 分为三大类[1]:双极型器件、单极型器件和混合型器件。
1.1 双极型器件, 是指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件
这类器件具有通态压降低、阻断电压高和电流容量大的特点。适合中大容量的变流装置。其中, 我们常见的交流装备有:门极关断 (GTO) 晶闸管、电力晶体管 (GTR) 、静电感应晶闸管 (SITH) 。
1.2 单极型器件, 是指器件内只有一种载流子 (多数载流子) 参与导电过程的半导体器件
具有代表性的产品有电力场控晶体管 (电力MOSFET) 和静电感应晶体管 (SIT) 。单极型器件开关的时间较短, 一般多在几十纳秒以下, 这是因为大部分的载流子导电, 无少子存储效应。
1.3 混合型器件, 是指双极型器件与单极型器件的集成混合
其主导器件为GTR、GTO晶闸管和SCR, 将MOSFET用来做控制器件混合集成之后产生的器件。这种器件不仅具有GTR、GTO晶闸管和SCR等双极型器件电流密度高、导通压降低的优点, 又具备MOSFET等单极型器件输入阻抗高、响应速度快的优点。因此, 人们开始高度重视这种新型混合器件。IGBT被人们公认为最有发展潜力的复合器件之一。
2 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)
2.1 IGBT的地位及作用
I G B T (I n s u l a t e d G a t e B i p o l a r Transistor) , 中文我们称之为“绝缘栅双极晶体管”, 是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它是电力电子技术的核心技术, 且是电机控制和功率变换器的首选器件。广泛用于轨道交通、航空航天等战略性行业, 具有高频率、高电压、大电流, 易于开关等优良性能, 被业界誉为功率变流装置的“CPU”。
它是电力电子领域非常理想的开关器件, 其频率特性介于MOSFET和功率晶体管之间, 可正常工作在几十Hz的频率范围内, 故在较高频率的大、中频率应用中占主要地位[2]。
2.2 IGBT的工作原理 (如图1)
IGBT和电力MOSFET有很大的渊源, 可以说IGBT是根据电力MOSFET的原理发展出来的, 在结构上面, 两者有很大的相似之处。但是, IGBT具有很强的电流控制能力。原因归结于两者间结果的不同之处, 即:IGBT多一个P层发射级。在IGBT导通时, 这个p层发射级可由P+注入区向N基区发射载流子 (空穴) , 以调制漂移区的电导率。
IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极是以正向栅极电压时, MOSFET内形成沟道并未PNP晶体管提供基极电流, 从而使IGBT导通。在门极施以负电压时, MOSFET内的沟道消失, PNP晶体管的基极电流被切断, IGBT关断。
3 IGBT的应用领域
IGBT作为电机控制和功率半导体器件首选器件, 在轨道交通、航空航天、船舶驱动、新能源电动汽车、风力发电、太阳能发电、高压变频、工业传动及电力传输等多个重要行业和领域广泛运用。目前, 在轨道交通高速动车组、大功率电力机车、城轨车辆几乎普遍采用IGBT;在节能环保领域, IGBT成为节能设备最核心的部件;在电力传输领域, IGBT在柔性输电等技术中发挥越来越大的作用。同时, 大功率IGBT也是谐波治理中最理想的开关器件。因此, IGBT具有良好的市场前景。在未来很长一段时间内, 为适应全球降低CO2排放的战略需要, IGBT将更加广泛地应用于可再生能源发电、智能配电与控制、分布式发电、电力牵引等领域, 成为节能技术和低碳经济的主要支撑。
4 IGBT的发展现状
IGBT是电力电子时代的新宠。它是一种很优秀的电力电子器件, 已逐渐替代了晶闸管, 成为电力电子技术平台性的器件。虽然国外的IGBT产业取得了很大进展, 但令人叹惋的是, 我们国家目前并未形成自己的IGBT产业, 目前我们使用的IGBT管子全部是进口购买的。我国只能进口国外IGBT芯片, 自己进行少量封装。因此对于我们这样一个拥有13亿人口的大国, 像IGBT这样的基础元件及其相关技术, 必须拥有自己的IGBT产业。随着国家对电力电子技术发展的重视, 相信很快就会用上自己生产出的IGBT。
5 IGBT的发展方向
IGBT的发展趋势有两个方向:超大功率模块和超快速IGBT。其中, 超大功率模块IGBT有望取代GTO, 并将其在电力系统、高压直流输电、机车牵引等方面扩宽应用领域。超快速IGBT则将在高频开关电源等方面扩大其应用领域。总之, 超大功率、超快速、模块化、智能化是IGBT发展的方向。
参考文献
[1]黄家善, 电力电子技术[M].北京.机械工业出版社, 2005 (1) .
IGBT器件 篇2
下面以2SD315A为例，对CONCEPT公司驱动器加以说明：
配套能力强，1 700 V，2 500 V，3 300 V三种电压等级；内部双DC／DC变换器，两路驱动电源隔离；单15 V供电，内部+15 V，-15 V由DC／DC变换器得到；用变压器隔离，工作频率100 kHz；-40～+85 ℃工作范围；独立工作方式或半桥工作方式；CMOS／TTL信号输入；隔离电压4 000 Vrms；UCE监控短路过流；死区时间可调；故障记忆锁定输出；欠压(<11.5 V)保护。
4.8 EUPEC公司系列驱动器
EUPEC公司驱动器主要有两种：
2ED020I12-F：1 200 V等级，±15 V／+l A／－2 A，无磁心变压器驱动；2ED300C17-S／ST：1 700 V等级，±15 V／30 A，变压器驱动
4.9 光纤隔离驱动
自世界上第一只MOSFET及IGBT问世以来，电压控制型电力电子器件特别是IGBT正经历一个飞速发展的过程。 IGBT单模块器件的电压越做越高，电流越做越大。同时，与之配套的驱动器件也得到了大力发展。随着器件应用领域越来越广，电源设备变换功率越来越大，电磁干扰也相应增大。在这种情况下，提高控制板的抗干扰能力，提高驱动耐压等级己成为一种趋势。光纤的使用也就成为了一种必然。
(1)IGBT驱动隔离的几种方式
不同功率等级的器件，对驱动的要求不尽相同，下表给出了目前常用的几种驱动方式的比较(见表20)。
(2)光纤收发器的种类
目前，大部分光纤收发器均使用Aglient公司的几种产品型号。具体见表21(表中数据均为0～70℃使用条件，特殊标注除外)。
一般情况下，HFBR-1522，HFBR-2522使用较多，在大功率电力转换设备中，控制板与大功率模块驱动板之间1MBd的信号传输率已满足要求，而且45m的距离也已足够使用，在实际使用中，光纤的长度可依要求选择(见图35、图36及图37)。
(3)光纤传输在驱动电路中的具体应用
在这里，以CONCEPT公司的专用高压IGBT驱动板(HVl)：1SD418F2-FZ2400R17KF6为例描述其具体应用。驱动板的驱动对象是2400A/1700A IGBT，这种组合具有所有IPM的功能，具体电路框图如图38所示。
IGBT器件 篇3
随着电力电子和变流控制技术的不断发展，功率器件IGBT 的应用领域得到极大的拓展，在轨道交通、航空航天、船舰电推、电力传输等诸多高可靠性应用领域成为主流应用器件。IGBT 作为变流装置的主功率器件，围绕其进行可靠性相关的研究对系统设计及设备运行维护等具有十分重要的意义。国内外文献中常用失效率(λ)、可靠度(R)、平均无故障时间(MTBF)、使用寿命(LT)等指标进行IGBT 可靠性比较和评价。IGBT 模块可靠性受封装工艺、制造水平和运行工况的影响，在实际工程应用中，有时为了提高可靠性，通常采用的措施是对器件进行降额使用。这种方法的弊端是对器件缺乏可靠性的定量评估，常常出现“大马拉小车”现象，造成资源浪费。因此，立足于工程实践需求，建立一套行之有效的器件应用可靠性分析和评估方法，对变流系统的科学、合理设计具有重要意义。
典型的工业变流应用中，对于3.3 kV 电压等级IGBT 功率器件，中间工作直流电压正常范围为1.5 kV~1.8 kV;而对于中间直流电压为2 kV 水平的变流应用设计，3.3 kV 与4.5 kV 两类IGBT 器件均可满足工程实际应用需求。但对于3.3 kV 器件，中间工作电压提升对其工作可靠性的影响情况有待进一步评估。本文基于实际变流工程应用，从器件应用失效率及使用寿命两个维度对3.3 kV 和4.5 kV 电压等级功率器件在中间直流电压为2 kV 水平下的应用可靠性展开研究。研究结果表明，在进行系统选型设计时，应从具体应用需求及客户体验特点，选择相应规格器件。器件特性参数比较
采用 所示三电平半桥臂主电路拓扑对IGBT 的器件可靠性进行研究，其中间直流母线电压VDC=2 kV。由于该电路具有对称性的特点，进行器件功耗计算时，仅需考虑V1，V2 和D5 便可。
为 使分析具有代表性，选用1500R33HL3 型和1200R45HL3 型IGBT 器件，二者特性参数对比及功耗计算结果如 所示。可以看出，两种器件封装尺寸完全兼容，当中间直流电压为2 kV 时，4.5 kV 电压等级器件的功耗要大于3.3 kV 电压等级器件的。所示功耗计算结果显示V1 位置器件的功耗最大，因此本文主要就该位置器件的可靠性进行分析研究。器件失效率比较
常温(25℃)、不同电压工况下3 300 V/1 500 kA 规格IGBT 器件失效率分布情况如 所示。同样借助曲线拟合技术，对 曲线在工作电压范围的2 200 V~3 400 V 段进行拟合，并拓展至1 800 V。曲线拟合情况如 所示，拟合方程如式(2)所示。给出了对应 各工作电压点的失效率及折算的MTBF 值。
由 和 可以看出，器件的失效率随着工作电压的升高呈递增趋势。根据 和，对工作电压为2 kV 时3.3 kV 和4.5 kV 规格IGBT 器件可靠性情况进行比较，其λ 分别为159.822 1 和0.000 997，对应MTBF 分别为6.257×106 h 和1.003×1012 h。显然，4.5 kV 规格器件的故障率更低，平均无故障时间更长。器件使用寿命比较
工程中常用功率循环(PC)次数和温度循环(TC)次数来评估器件的可靠性水平。功率循环中，壳温变化较小、结温变化频繁，在该模式下，由于键合线和硅片之间的膨胀系数(CTE)不同，大量应力作用后，键合线和硅片易剥离，导致器件失效;温度循环中，壳温变化较大且缓慢，该模式下，由于绝缘基板和铜基板之间的膨胀系数不同，大量的应力循环作用下，焊层易产生裂纹，从而导致失效。因此PC 和TC 是两种不同的失效模式，功率循环主要会导致键合线失效，使器件正向压降升高;而温度循环主要导致焊层裂缝，使器件热阻增加。
示出客户提出的24 h 试验考核条件参数，要求IGBT 器件连续工作5 000 h 无故障。在满足器件额定工况要求的前提下，按照检测条件()、器件参数来计算不同电压水平下结温温升，并由器件生产商提供的功率循环、温度循环寿命曲线，得到不同结温温升工况下的寿命指标情况。
设定散热器保持恒温65 ℃，参照 给出的系统主电路及 所列试验条件，计算得到器件功率损耗及24 h 试验结温(ΔTj)、壳温(ΔTc)的温升数据()。对应，得到器件24 h 试验结温波动情况曲线()。
是器件厂商提供的牵引用3.3 kV 和4.5 kV 电压等级IGBT 功率循环寿命实验曲线，是其温度循环寿命实验曲线，据此可研究得到不同温升水平下所对应的功率循环次数情况和温度循环次数情况。可计算预计器件寿命：根据 所列温升数据，查找对应 和 器件曲线寿命数据，得到不同结温温升条件下的理论循环寿命次数;根据24 h 实验检测参数，可计算得到连续工作条件下的累计循环次数;根据米勒器件损耗线性累加理论，借助式(3)预计器件使用寿命。结语