IGBT模块散热器的发展与应用
IGBT模块散热器的发展与应用
1概述
电力电子器件的发展经历了晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、晶体管(BJT)、绝缘栅晶体管(IGBT)等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT模块散热器具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。要提高功率MOSFET的耐压能力，势必增加高导通电阻，从而妨碍器件在高电压、大电流范围的应用。针对这些缺陷，20世纪80年代诞生了功率IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件，20世纪90年代初进入实用化。近几年来，功率IGBT模块散热器的性能提高很快，额定电流已达数百安培，耐压达1500V以上，而且还在不断提高。由于IGBT器件具有PIN二极管的正向特性，P沟功率IGBT模块散热器的特性不比N沟IGBT差多少，这非常有利于在应用中采取互补结构，从而扩大其在交流和数字控制技术领域中的应用。
目前，应用在中压大功率领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场，在大功率(1MW)，低频率(1kHz)的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下,IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段中压大功率变频领域将由这4种电力电子器件构成其主流器件。
IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块散热器在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。
10年前，IGBT模块散热器出现在世界技术舞台的时候，尽管它凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工手段二者的精华，表现出很好的综合性能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。现在，跨世纪的IGBT显示了巨大的进展，形成了一个新的器件应用平台。
2智能MOS栅IGBT模块散热器化
由于IGBT高频性能的改进，可将驱动电路、保护电路和故障诊断电路集成在一起，制成智能功率模块，一般情况下采用电压触发。
通过采用大规模集成电路的精细制作工艺并对器件的少数载流子寿命进行控制，新一代功率IGBT模块散热器芯片已问世。第三代IGBT与第一代产品相比，在断态下降时间及饱和电压特性上均有较大的提高。
IGBT是双极型晶体管(BJT)和MOSFET的复合器件，其将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗，为电压驱动器件。开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT模块散热器所能应用的范围基本上替代了传统的晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、晶体管(BJT)等器件。
2.1IGBT—PIM
IGBT模块散热器的模块内置整流模块电路、逆变主回路和再生回路，以降低损耗和降低成本，这种新型模块称为功率集成模块，简称PIM(PowerIntegratedModule)。IGBT模块是一种高速开关，第四代IGBT在开发中主要采取如下几项新技术。
(1)FWD(FreeWheelingDiode)技术
在模块中选用降低正向电压(VF)的二极管器件，据测试在600V和1200V系列中，逆变器载波频率为10kHz时产生的损耗与旧系列相比降低20%。
(2)蚀刻模块单元的微细化技术
由于控制极的宽度(LH)已达到最佳化设计，故集电—射极之间的饱和电压VCE(SAT)可降低0.5V，使开关损耗降低。
(3)NPT(NonPunchThrough)技术
使载流子寿命得到控制，从而减少开关损耗对温度的依存性。这样，可减少长期使用过程中的开关损耗。
对于IGBT模块散热器这类高速开关的要求无非是高速性和柔性恢复性。对于正向电压VF和恢复损耗Err二者相比，在设计时宁可选择较高的VF值。但当选用高VF值在变频器低频工作时，将会使FWD的导通时间加长并使平均损耗增加，也使变频器在低速高力矩时温升提高。为此第四代IGBT模块散热器特别注意到设计最佳的电极构造，从而改善了VF、Err关系，使FWD的VF降低0.4V～0.5V，总损耗减少20%。
2.2P系列NPT—IGBT模块的特点
FUJIP系列IGBT采用NPT工艺制造，比PT(PunchThrough)IGBT有更多的优越性，特别适用于变频器、交流伺服系统、UPS、电焊电源等领域，其显著特点如下：
(1)电流额定值是在Tc=800℃时标出的。
(2)P系列IGBT的VCE(SAT)与温度成正比，易于并联。
(3)开关损耗的温度系数比PT-IGBT小，当结温升高时，其开关损耗比PT-IGBT增加的少，因此P系列模块更适合高频应用。
(4)1400V系列模块可用于AC380V至575V的功率变换设备中。
(5)P系列中，尤其是1400V模块比PT-IGBT有更大的安全工作区，反偏安全工作区(RBSOA)和短路安全工作区(SCSOA)都为矩形。其RBSOA可达额定电流的两倍，SCSOA可达额定电流的十倍。因此，吸收电路可大大地简化，同时，短路承受能力也大大提高。
(6)低损耗、软开关，它的dv/dt只有普通模块的1/2，大大降低了EMI噪声。
目前，IGBT已发展到第四代;西门子/EUPEC已可提供电流从10A～2.4kA，电压范围为600V～3.3kV的IGBT模块，以1.2kA/3.3kVIGBT为例，其栅极发射极电压仅为15V，触发功率低、关断损耗小、di/dt.du/dt都得到有效的控制。
当前高压IGBT模块散热器的研制和应用水平为：600A～800A/6.5kV，工作频率为18kHz～20kHZ，在工艺上，高压IGBT开发主要采取以下措施:一是采用沟槽结构，挖掉了位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管的电阻，改善了减小通态压降和提高频率特性之间的矛盾;二是采用非穿通(NPT)结构取代穿通(PT)结构，因为NPT结构的IGBT芯片具有正电阻温度系数、易于并联，这是IGBT模块散热器大功率化的必由之路;三是高压IGBT作为高频器件，电磁兼容问题值得重视，采用电感封装技术可确保系统长期可靠的运行，大容量高压IGBT模块散热器适合采用平板式封装结构。
3第四代IGBT模块散热器的基本特点
3.1沟槽(Trench)结构
同各种电力半导体一样，IGBT向大功率化发展的内部动力也是减小通态压降和增加开关速度(降低关断时间)之间矛盾的折衷。在常规的一至二代IGBT中，其MOS沟道是平行于硅片表面的。它的导通电流由两部分组成：MOS分量IMOS和晶闸管分量ISCR，为防止闩锁(Latch-up)效应，其MOS分量必须占主导。其流通途径中不可避免地存在一个位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管(JFET)的电阻RJFET，它成为提高频率特性、缩小通态压降的障碍。第四代IGBT采用特殊的工艺制成沟槽结构，挖掉了RJFET，把MOS沟道移到垂直于硅片表面的位置，元胞尺寸可减少到20%。这样可提高硅片利用率，减小通态压降，也为其频率参数的改善创造了新的可能性。
3.2IGBT模块散热器高压化
1993年，德国EUPEC公司(欧洲电力电子公司)推出3.2kV/1.3kA的IGBT模块，但它是用多个IGBT芯片串联加并联组成的。只能说是高压化发展的一种尝试。人们曾认为IGBT耐压不会突破2kV，是因为1.2kV以下的IGBT都是用高阻外延硅片制成的，电压要达到1.5kV，外延层厚度就要超过180μm，几乎是不能实用化的。
1996年，日本东芝公司推出了2.5kV/1kA的IGBT，具有同大功率晶闸管、GTO管相同的平板压接式封装结构。它突破了外延片的制约，采用(110)晶面的高阻单晶硅片制造，硅片厚度超过300μm，有了足够的机械强度。
1998年，耐压4.5kV的单管IGBT开发出来，但是，要想制作单管大电流IGBT是不可能的。在IGBT的制造过程中要做十几次精细的光刻套刻，经过相应次数的高温加工，图形大到一定程度，合格率会急剧下降，甚至为零。所以，制造大功率IGBT，必然是要并联的。
东芝公司生产的2.5kV/1kAIGBT，是由24个2.5kV/80A的IGBT芯片并联而成的，还有16个2.5kV/100A的超快恢复二极管(FRED)芯片与之反并联(续流二极管)。实现单串多并结构是IGBT走向大功率化的必由之路。采用NPT结构是IGBT自如并联的必要条件。
3.3霹雳(Thunderbolt)型IGBT模块散热器问世
一段时间以来，IGBT模块散热器的工作频率限制在20kHz以下，在采用软开关拓扑的电路中最多可工作到50kHz以下，许多开关电源用到更高的频率，基本是功率MOS场效应管的天下。1998年在第四代技术的基础上，美国IR公司(WARP系列)和APT公司(GT系列)开发了命名为霹雳型IGBT的新器件，由二维集成转向三维集成。其额定电压达到600V，额定电流为0～100A。其硬开关工作频率可达150kHz，谐振逆变软开关电路可达300kHz。它的开关特性已接近功率MOSFET，而电流密度则为MOSFET的2.5倍，即相同电流时它的硅片面积大大减小，故成本有所降低。
3.4逆导型IGBT和双向IGBT模块散热器
这是为适应不同应用线路的需要而研制的IGBT派生器件。
4使用IGBT模块散热器使用中应注意的问题
IGBT模块散热器的结构与MOSFET类似，从等效电路和工作机理来说，可以认为IGBT是MOS输入的达林顿晶体管，其输入级是MOSFET，输出级是PNP晶体管。IGBT模块的使用应特别注意以下几方面的问题。
4.1防静电对策
IGBT模块散热器的VGE保证值为±20V，在IGBT模块上加上超出保证值的电压有损坏的危险，因而在栅极-发射极之间接一只10kQ左右的电阻器为宜。
4.2驱动电路设计
严格地说，能否充分利用IGBT器件的性能，关键取决于驱动电路的设计。IGBT驱动电路必须能提供适当的正向栅压、足够的反向栅压、足够的输入输出电隔离能力,以及具有栅压限幅电路等。
4.3保护电路的设计
IGBT模块因过电流、过电压等异常现象有可能损坏。因此，必须在对器件的特性充分了解的情况下，设计出与器件特性相匹配的过电压、过电流、过热等保护电路。
4.4散热设计
取决于IGBT模块所允许的最高结温(Tj),在该温度下，首先要计算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。在散热设计不充分的场合，实际运行在中等水平时，也有可能超过器件允许温度而导致器件损坏。
4.5栅极串联电阻(Rc)
对IGBT模块散热器来说，增大栅极电阻能够减少IGBT开通时续流二极管的反向恢复过电压，减少通态下出现短路的冲击电流值;与此同时，增大栅极电阻的结果将使开通关断损耗增加，延长开通和关断时间。因此最好的办法是配置两个串联电阻器，即RG(on)和RG(off)，在实际设计时应考虑具体的应用要求。如在高压二极管的情况下，恢复时间趋长，RG(on)应比产品目录的推荐值大2倍～4倍。
5新型大功率IGBT模块散热器-电子注入增强栅晶体管IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)
近年来，日本东芝公司开发了IEGT，其与IGBT一样，它有平面栅和沟槽两种结构，前者已研制成功，产品即将问世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO两者的优点：低的饱和压降、宽的安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右)，低的栅极驱动功率(比GTO低2个数量级)和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性。与IGBT模块散热器相比，IEGT结构的主要特点是栅极长度较长，n长基区近栅接极侧的横向电阻值较高，因此从集电极注入n长基区的空穴，难以象在IGBT中那样，顺利地横向通过p区流入发射极，而是在该区域形成一层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须通过n沟道向n长基区注入大量的电子。这样就使n长基区发射极侧也形成了高浓度载流子积累，在n基区中形成与GTO中类似的载流子分布，从而较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已达到4.5kV/1kA的水平。
文章来源：中国电力电子产业网-IGBT模块散热器
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