igbt工作原理及實(shí)物接線圖詳解-igbt接線時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-12-13
igbt工作原理及接線圖，我們先了解一下igbt是什么？IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（絕緣柵雙極型晶體管）的縮寫(xiě)，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。
IGBT的等效電路如下圖所示。由下圖可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級(jí)的漏電流流過(guò)，基本上不消耗功率。
通俗來(lái)講:IGBT是一種大功率的電力電子器件，是一個(gè)非通即斷的開(kāi)關(guān)，IGBT沒(méi)有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開(kāi)時(shí)當(dāng)做開(kāi)路。三大特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。
igbt是一個(gè)三端器件，它擁有柵極G、集電極c和發(fā)射極E。IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)如圖所示。
如圖所示為N溝道VDMOSFFT與GTR組合的N溝道IGBT(N-IGBT)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成丁一個(gè)大面積的PN結(jié)J1。由于IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，因而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，可仗IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。介于P+注入?yún)^(qū)與N-漂移區(qū)之間的N+層稱為緩沖區(qū)。有無(wú)緩沖區(qū)決定了IGBT具有不同特性。
有N*緩沖區(qū)的IGBT稱為非對(duì)稱型IGBT，也稱穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬?dāng)鄷r(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流小等優(yōu)點(diǎn)，但其反向阻斷能力相對(duì)較弱。無(wú)N-緩沖區(qū)的IGBT稱為對(duì)稱型IGBT，也稱非穿通型IGBT。它具有較強(qiáng)的正反向阻斷能力，但它的其他特性卻不及非對(duì)稱型IGBT。
如下圖(b)所示的簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是由GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的部分是MOSFET驅(qū)動(dòng)，另一部分是厚基區(qū)PNP型晶體管。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP型晶體管，它的簡(jiǎn)化等效電路如上圖(b)所示，圖中的RN為PNP晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。從該等效電路可以清楚地看出，IGBT是用晶體管和MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。岡為圖中的晶體管為PNP型晶體管，MOSFET為N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以這種結(jié)構(gòu)的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號(hào)為N-IGBT。類(lèi)似地還有P溝道IGBT，即P- IGBT。
IGBT的電氣圖形符號(hào)如上圖(c)所示。IGBT是—種場(chǎng)控器件，它的開(kāi)通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間電壓UGE決定，當(dāng)柵射電壓UCE為正且大于開(kāi)啟電壓UCE（th）時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通，此時(shí)，從P+區(qū)注入N-的空穴（少數(shù)載流子）對(duì)N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-區(qū)的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)柵射極間不加信號(hào)或加反向電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。由此可知，IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與MOSFET基本相同。
①當(dāng)UCE為負(fù)時(shí)：J3結(jié)處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。
②當(dāng)uCE為正時(shí)：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態(tài)；UG>UTH，絕緣門(mén)極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)ā?/span>
1)導(dǎo)通
IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是JGBT增加了P+基片和一個(gè)N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分)，其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件（有兩個(gè)極性的器件）。基片的應(yīng)用在管體的P、和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J，結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道便形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。
如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，則J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整N-與N+之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流（MOSFET電流）；一個(gè)空穴電流（雙極）。當(dāng)UCE大于開(kāi)啟電壓UCE(th），MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。
2)導(dǎo)通壓降
電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，通態(tài)壓降小。所謂通態(tài)壓降，是指IGBT進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降UDS，這個(gè)電壓隨UCS上升而下降。
3)關(guān)斷
當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET的電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是閡為換向開(kāi)始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少于）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度?/span>
少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形。集電極電流將引起功耗升高、交叉導(dǎo)通問(wèn)題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問(wèn)題更加明顯。
鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的Tc、IC：和uCE密切相關(guān)，并且與空穴移動(dòng)性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。
4)反向阻斷
當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)，J，就會(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過(guò)多地降低這個(gè)層面的厚度，將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以這個(gè)機(jī)制十分重要。另外，如果過(guò)大地增加這個(gè)區(qū)域的尺寸，就會(huì)連續(xù)地提高壓降。
5)正向阻斷
當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，J，結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)巾的耗盡層承受外部施加的電壓。
6)閂鎖
ICBT在集電極與發(fā)射極之間有—個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對(duì)等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì)引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖。具體來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生這種缺陷的原因各不相同，但與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。
為了使接觸熱阻變小，推薦在散熱器與IGBT模塊的安裝面之間涂敷散熱絕緣混合劑。涂敷散熱絕緣混合劑時(shí)，在散熱器或IGBT模塊的金屬基板面上涂敷。如圖1所示。隨著IGBT模塊與散熱器通過(guò)螺釘夾緊，散熱絕緣混合劑就散開(kāi)，使IGBT模塊與散熱器均一接觸。
上圖：兩點(diǎn)安裝型模塊 下圖：一點(diǎn)安裝型模塊
涂敷同等厚度的導(dǎo)熱膏（特別是涂敷厚度較厚的情況下）可使無(wú)銅底板的模塊比有銅底板散熱的模塊的發(fā)熱更嚴(yán)重，最終引至模塊的結(jié)溫超出模塊的安全工作的結(jié)溫上限（Tj《 125℃或125℃）。因?yàn)樯崞鞅砻娌黄?整所引起的導(dǎo)熱膏的厚度增加，會(huì)增大接觸熱阻，從而減慢熱量的擴(kuò)散速度。
IGBT模塊安裝時(shí)，螺釘?shù)膴A緊方法如圖2所示。另外，螺釘應(yīng)以推薦的夾緊力矩范圍予以?shī)A緊。如果該力矩不足，可能使接觸熱阻變大，或在工作中產(chǎn)生松動(dòng)。反之，如果力矩過(guò)大，可能引起外殼破壞。將IGBT模塊安裝在由擠壓模制作的散熱器上時(shí)，IGBT模塊的安裝與散熱器擠壓方向平行，這是為了減小散熱器變形的影響。
螺釘?shù)膴A緊方法
把模塊焊接到PCB時(shí)，應(yīng)注意焊接時(shí)間要短。注意波形焊接機(jī)的溶劑干燥劑的用量，不要使用過(guò)量的溶劑。模塊不能沖洗。用網(wǎng)版印刷技術(shù)在散熱器表面印刷50μm的散熱復(fù)合用螺釘把模塊和PCB安裝在散熱器上。在未上螺釘之前，輕微移動(dòng)模塊可以更好地分布散熱膏。安裝螺釘時(shí)先用合適的力度固定兩個(gè)螺釘，然后用推薦的力度旋緊螺釘。
在IGBT模塊的端子上，將柵極驅(qū)動(dòng)電路和控制 電路錫焊時(shí)，一旦焊錫溫度過(guò)高，可能發(fā)生外殼樹(shù)脂材料熔化等不良情況。一般性產(chǎn)品的端子耐熱性試驗(yàn)條件：焊錫溫度： 260±5℃。焊接時(shí)間： 10±1s。次數(shù)：1次。
1）柵極與任何導(dǎo)電區(qū)要絕緣，以免產(chǎn)生靜電而擊穿，IGBT在包裝時(shí)將G極和E極之問(wèn)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G極，直到 G極管腳進(jìn)行永久性連接后，方可將G極和E極之間的短接線拆除。
2）在大功率的逆變器中，不僅上橋臂的開(kāi)關(guān)管要采用各自獨(dú)立的隔離電源，下橋臂的開(kāi)關(guān)管也要采用各自獨(dú)立的隔離電源，以避免回路噪聲，各路隔離電源要達(dá)到一定的絕緣等級(jí)要求。
3）在連接IGBT 電極端子時(shí)，主端子電極間不能有張力和壓力作用，連接線（條）必須滿足應(yīng)用，以免電極端子發(fā)熱在模塊上產(chǎn)生過(guò)熱?？刂菩盘?hào)線和驅(qū)動(dòng)電源線要離遠(yuǎn)些，盡量垂直，不要平行放置。
4）光耦合器輸出與IGBT輸入之間在PCB上的走線應(yīng)盡量短，最好不要超過(guò)3cm。
5）驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離要用高共模抑制比（ CMR）的高速光耦合器，要求 tp《0.8μs，CMR》l0kV/μs，如6N137，TCP250 等。
6）IGBT模塊驅(qū)動(dòng)端子上的黑色套管是防靜電導(dǎo)電管，用接插件引線時(shí)，取下套管應(yīng)立即插上引線；或采用焊接引線時(shí)先焊接再剪斷套管。
7）對(duì)IGBT端子進(jìn)行錫焊作業(yè)的時(shí)候，為了避免由烙鐵、烙鐵焊臺(tái)的泄漏產(chǎn)生靜電加到IGBT上，烙鐵前端等要用十分低的電阻接地。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260℃±5℃，時(shí)間（10 +1）s。波峰焊接時(shí)，PCB要預(yù)熱80 ~105℃，在245℃時(shí)浸入焊接3~4s。
8）儀器測(cè)量時(shí)，應(yīng)采用1000 電阻與G極串聯(lián)。在模塊的端子部測(cè)量驅(qū)動(dòng)電壓（ VGE）時(shí)，應(yīng)確認(rèn)外加了既定的電壓。
9）IGBT模塊是在用lC泡沫等導(dǎo)電性材料對(duì)控制端子采取防靜電對(duì)策的狀態(tài)下出庫(kù)的。這種導(dǎo)電性材料在產(chǎn)品進(jìn)行電路連接后才能去除。
10）僅使用FWD而不使用IGBT時(shí)（比如在斬波電路等中應(yīng)用時(shí)），不使用的IGBT的G-E間應(yīng)加-5V以上（推薦-15V、最大- 20V）的反偏壓。反偏壓不足時(shí)，IGBT可能由于FWD反向恢復(fù)時(shí)的dv/dt引起誤觸發(fā)而損壞。
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