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IGBT工作原理及作用

2019-2-26 15:58:09      点击:

首先,普及下全球十大IGBT公司,后面再介绍IGBT的工作原理


1. 英飞凌科技公司


      英飞凌(Infineon)科技公司前身是西门子集团的半导体部门,于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立,2000年上市,2002年后更名为英飞凌科技公司(以下简称英飞凌)。
      英飞凌的技术源于西门子半导体,而西门子在全球功率半导体发展过程中起着重要的推动作用。英飞凌目前为世界上第三大IGBT生产商及唯一拥有8inIGBT器件生产线的厂家,且其技术已发展到12in。作为少数几家掌握IGBT芯片核心技术的公司,其IGBT芯片产量居全球首位,一些电力半导体厂家均从英飞凌购买IGBT芯片用于封装IGBT模块。英飞凌的超薄IGBT芯片加工技术对其他厂家也是一个巨大的技术挑战。在全球功率半导体市场,英飞凌连续9年名列榜首。
      1995年英飞凌以西门子半导体事业部的“身份”正式进入中国市场。自从1996年在江苏无锡建立第一家企业以来,英飞凌在中国的业务迅速发展,IGBT模块在中国工业应用领域的市场份额遥居第一位,其中,通用变频器超过55%;中高压变频器超过80%;逆变电焊机超过50%;感应加热超过80%;运输领域超过70%。经过了中国客户十多年的反复选择与考验,英飞凌IGBT模块确立了在中国市场的主导地位。


2.三菱电机


       三菱电机(Mitsubishi Electric)隶属于日本三菱企业集团,总部设在日本东京,创建于1921年,是一家具有90多年历史的企业。
       三菱电机在IGBT器件技术上不断创新,到2009年已经推出了第六代IGBT产品。三菱电机把主要资源集中在I GBT模块和智能功率模块(IPM)的生产上,其功率模块主要应用于工业、家电、电力机车以及电力行业的变频器上,这几个行业在全球都有着长期、稳定的增长。三菱电机的功率模块也应用于电动和混动汽车等快速发展的领域。在功率模块市场上,三菱电机的销售增长率超过全球市场的平均增长水平。
       三菱电机(中国)有限公司成立于1997年10月,截止于2012年11月,三菱电机在中国的合资、独资企业已达34家,业务涉及汽车零部件、半导体等电子器件领域,以及输变电设备、电梯、铁道车辆用电机品、工业自动化设备、家用电器等广泛领域内。三菱电机占据2012年中国IGBT芯片市场份额的5.6%,排位第6。


3.东芝


      东芝(Toshiba)原名东京芝浦电气株式会社,1939年由株式会社芝浦制作所和东京电气株式会社合并而成,集团总部设在日本东京都港区,从1875年开创至今,已经走过了133年的历程。
      东芝近几年的销售额在国际IGBT市场排在前6名之内,在分立IGBT市场排名第一。20世纪80年代以来,东芝从一个以家用电器、重型电机为主体的企业转变为包括通信、电子在内的综合电子电器企业。东芝半导体的特征就是以分立器件、系统LSI、存储器为支柱建立了丰富的产品线,形成很强的综合能力,能在多方面满足客户的需求。
       东芝自1972年进入中国开展业务,至今已有40余年。东芝1991年在大连设立了中国第一家合资企业,现在中国已设立了87家企业。东芝占据2012年中国IGBT芯片市场份额的3%,排位第八。


4.富士电机有限公司


       富士电机(Fuji Electric)有限公司(以下简称富土电机)成立于1923年8月,部位于日本神奈川县,距今有90多年历史,是日本最大的综合机电产品制造企业之一。
       富士电机目前是世界第二大IGBT器件制造商。在1987年就成为松下电磁炉的首个IGBT供应商,为丰田混合动力车提供IGBT器件使其又成为世界上最早进入汽车领域的IGBT供应商。富士还是日立的IGBT芯片供应商。富土在IGBT器件上积累了20多年的研发经验,拥有全世界最多的IGBT器件方面的技术专利,总数达500件。
       富士电机与中国市场已有40多年的联系。1993年,富士电机在中国大陆建立了第一个生产基地一——大连富士马达有限公司;2006年,富士电机在浙江大学设立了研发中心,并于2010年成立了“浙江大学富士电机创新中心”。迄今,富士电机在中国已拥有25家企业。2012年,富士电机占据中国IGB’I’芯片市场份额的6.4%,排位第五。


5.ABB集团
       ABB集团(Asea Brown Boveri Ltd.)于1988年由瑞典ASEA公司和瑞土BBC Brown Boveri公司合并而成,集团总部位于瑞士苏黎世,并在苏黎世、瑞典斯德哥尔摩和美国纽约证券交易所上市交易。
       ABB集团在功率半导体领域具有惊人的实力,其专利申请几乎覆盖了功率半导体器件的每一个技术分支。自1988年ABB集团成立之后,IGBT一直是ABB研究的热点,其申请的IGBT元胞相关专利有44项,占元胞相关专利的28%,在全球仅次于英飞凌排名第二。ABB是全球少数几个掌握高端IGBT芯片技术的厂商之一。
       ABB集团与中国的关系可以追溯到上个世纪初的1907年。1974年ABB在香港设立了中国业务部,随后于1979年在北京设立了永久性办事处。1994年ABB将中国总部迁至北京,并在1995年正式注册了投资性控股公司——ABB(中国)有限公司。ABB集团在中国通过与当地合作伙伴的密切合作,在输配电、自动化产品和系统等方面都建立起了强大的生产基地。业务包括完整系列的电力变压器和配电变压器;高、中、低压开关应用;电气传动系统和电机;工业机器人等。这些产品已广泛应用于工业和电力行业。ABB是我国IGBT企业重要的芯片供应商之一,在我国IGBT器件的重要应用领域如变频器、电力系统、机器人等居领先地位。


6.仙童半导体公司


      仙童(Fairchild)半导体公司俗称“仙童半导体”。仙童半导体于1957年首次创立,目前总部设在美国缅因州南波特兰。仙童半导体曾经开发了世界上第一款商用集成电路,现在是一家以应用主导及以解决方案为基础的半导体供货商。
      仙童半导輞趸至球首届一指的用于系统功率优化的功率模拟和功率分立组件供应商,主要市场领域是面向应用的、以解决方案为基础的产品,在600V的IGBT模块市场处于领导地位,其300V、450V和600V SPM(Smart Power Modules)IGBT从2002年投入研发,到2009年发展到第五代产品,被东芝变频空调和我国海信空调大量采用。


7.意法半导体公司


      1987年,两家历史悠久的半导体公司,即意大利SGS Microelectronic和法国汤姆逊半导体公司合并,成立了意法半导体公司(STMicroelectronic,ST),总部在瑞士日内瓦。公司从1994年起成为上市公司,公司股票在纽约证券交易所、法国泛欧巴黎证券交易所和意大利米兰证券交易所挂牌上市。
       意法半导体公司是全球第五大半导体厂商,在很多市场居世界领先水平。据iSuppli 2009年的资料,意法半导体公司是世界第一大专用模拟芯片和功率转换芯片制造商,世界第一大工业控制芯片、机顶盒芯片和便携设备及消费电子(包括游戏机和智能电话)用MEMS(微机电系统)芯片供应商。
       意法半导体公司在我国功率半导体市场也有着重要地位。据赛迪顾问的资料,2011年和2012年意法半导体公司在我国IGBT市场占比分别为2.6%和2.5%,均排名第十,在我国MOSFET市场的占比为4.8%,排名第六。


8.国际整流器公司


       国际整流器公司(International Rectifier,1R)成立于1947年,总部设在美国洛杉矶,是全球功率半导体和管理方案的领导厂商。
       IR的HEXFET功率MOSFET、IGBT及HVIC产品均已获得专利,在世界市场上,现在有超过70%的HEXFET功率MOSFET生产厂商向IR购买专利。在全球IGBT市场上,IR也位居十大供应商之列。IR推出了首个商用氮化镓(GaN)功率器件产品系列,预示着一个高频率、高密度、高效电源转换解决方案的全新时代。
       在我国功率半导体市场上,1R无论在电源管理IC、MOSFET还是IGBT方面均有重要地位。据赛迪顾问的市场调查,2011年,IR在我国IGBT市场占比为4。8%,名列第七位,MOSFET市场占比为7.5%,名列第二位,在电源管理IC市场的占比为3.4%,名列第七位。2012年,IR在我国IGBT市场占比为4.7%,名列第七位。


9.赛米控集团有限公司


       赛米控(SEMIKRON)集团有限公司(以下简称赛米控)成立于1951年,总部位于德国纽伦堡。
       赛米控具有50多年功率半导体的丰富经验,是国际功率半导体产业富有创造性的领导者之一。赛米控作为世界领先的独立半导体器件制造商,在功率模块的领域内居领先地位。市场研究机构IMS的调查结果表明,赛米控是二极管/晶闸管市场的领导者,并且占有全球34%的市场份额。赛米控具有两万一千多种不同的功率半导体器件,产品涵盖了芯片、分离二极管/晶闸管、功率模块(IGBT/MOSFET/二极管/晶闸管)、驱动电路、保护元件以及集成子系统,其中在IGBT、智能模块、可控硅和二极管模块的领域里更是举足轻重。例如,赛米控推出全球首个百分之百无焊接IGBT模块,全球57%装机容量的变速风力发电机使用赛米控技术。
       赛米控2000年进人中国市场,并于2005年8月在广东成立佛山市赛米控电子科技有限公司,将先进的德国IGBT核心技术和销售模式带到我国,授权其在我国内地生产与销售。在“2007年中国电源产业管理器件品牌”评选中,赛米控被广大客户以网络络投票形式,评选为十大品牌之一。2011年,赛米控在我国IGBT市场占比为9.4%,仅次于英飞凌名列第二位。2012年赛米控在我国IGBT市场占比为11.4%,依然仅次于英飞凌稳居第二。


10.中国南车株洲电力机车研究所有限公司


       中国南车株洲电力机车研究所有限公司(Zhuzhou Electric LocomotiveResearch Institute Co.Ltd.,China)(以下简称中国南车株洲所)始创于1959年,一隶属于中国南车股份有限公司,总部设在湖南省株洲市。
       是中国轨道交通装备牵引传动与控制系统领域的领导者,也是我国最早开发大功率半导体器件的单位之一,又是我国铁路机车大功率半导体器件研究开发及生产基地。中国南车株洲所通过资本运作与技术创新,建成了全球第二条8英寸IGBT生产线,成功实现了IGBT芯片技术的自主掌握,改变了我国在大功率电力电子器件关键技术长期受制于人的局面。中国南车株洲所由此跻身于世界上少数几家掌握IGBT成套技术及产业化能力的企业行列。
  


    一、IGBT是什么

    IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

   

    通俗来讲:IGBT是一种大功率的电力电子器件,是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。三大特点就是高压、大电流、高速。

   

    二、IGBT模块

   

    IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写,IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

   

    IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS 截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极—发射极间施加十几V的直流电压,只有在uA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。

   

    1、IGBT模块的选择

   

    IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时,所产生的额定损耗亦变大。同时,开关损耗增大,使原件发热加剧,因此,选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热加剧,选用时应该降等使用。

   

    2、 使用中的注意事项

   

    由于IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般达到20~30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点:

   

    在使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸;

   

    在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块;

   

    尽量在底板良好接地的情况下操作。

   

    在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

   

    此外,在栅极—发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使IGBT发热及至损坏。

   

    在使用IGBT的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止此类故障,应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。

   

    在安装或更换IGBT模块时,应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻,最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇,当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热,而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查,一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器,当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。

   

   

    三、IGBT驱动电路

    IGBT驱动电路的作用主要是将单片机脉冲输出的功率进行放大,以达到驱动IGBT功率器件的目的。在保证IGBT器件可靠、稳定、安全工作的前提,驱动电路起到至关重要的作用。

   

    IGBT的等效电路及符合如图1所示,IGBT由栅极正负电压来控制。当加上正栅极电压时,管子导通;当加上负栅极电压时,管子关断。

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    IGBT具有和双极型电力晶体管类似的伏安特性,随着控制电压UGE的增加,特性曲线上移。开关电源中的IGBT通过UGE电平的变化,使其在饱和与截止两种状态交替工作。

   

    (1)提供适当的正反向电压,使IGBT能可靠地开通和关断。当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降,但若UGE过大,则负载短路时其IC随UGE增大而增大,对其安全不利,使用中选UGEν15V为好。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,一般选UGE=-5V为宜。

   

    (2)IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下,IGBT的开频率不宜过大,因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压,及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。

   

    (3)IGBT开通后,驱动电路应提供足够的电压、电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。

   

    (4)IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响,RG较大,有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT的开关时间和开关损耗;RG较小,会引起电流上升率增大,使IGBT误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关,一般在几欧~几十欧,小容量的IGBT其RG值较大。

   

    (5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IG2BT的保护功能。IGBT的控制、 驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配,另外,在未采取适当的防静电措施情况下,G—E断不能开路。

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    四、IGBT的结构

    IGBT是一个三端器件,它拥有栅极G、集电极c和发射极E。IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号如图所示。

    如图所示为N沟道VDMOSFFT与GTR组合的N沟道IGBT(N-IGBT)的内部结构断面示意图。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区,形成丁一个大面积的PN结J1。由于IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子,因而对漂移区电导率进行调制,可仗IGBT具有很强的通流能力。介于P+注入区与N-漂移区之间的N+层称为缓冲区。有无缓冲区决定了IGBT具有不同特性。有N*缓冲区的IGBT称为非对称型IGBT,也称穿通型IGBT。它具有正向压降小、犬断时间短、关断时尾部电流小等优点,但其反向阻断能力相对较弱。无N-缓冲区的IGBT称为对称型IGBT,也称非穿通型IGBT。它具有较强的正反向阻断能力,但它的其他特性却不及非对称型IGBT。

    如图2-42 (b)所示的简化等效电路表明,IGBT是由GTR与MOSFET组成的达林顿结构,该结构中的部分是MOSFET驱动,另一部分是厚基区PNP型晶体管。

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    五、IBGT的工作原理

    简单来说,IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管,它的简化等效电路如图2-42(b)所示,图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。从该等效电路可以清楚地看出,IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为PNP型晶体管,MOSFET为N沟道场效应晶体管,所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT,其符号为N-IGBT。类似地还有P沟道IGBT,即P- IGBT。

   

    IGBT的电气图形符号如图2-42(c)所示。IGBT是—种场控器件,它的开通和关断由栅极和发射极间电压UGE决定,当栅射电压UCE为正且大于开启电压UCE(th)时,MOSFET内形成沟道并为PNP型晶体管提供基极电流进而使IGBT导通,此时,从P+区注入N-的空穴(少数载流子)对N-区进行电导调制,减小N-区的电阻RN,使高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅射极间不加信号或加反向电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP型晶体管的基极电流被切断,IGBT即关断。由此可知,IGBT的驱动原理与MOSFET基本相同。

    ①当UCE为负时:J3结处于反偏状态,器件呈反向阻断状态。

    ②当uCE为正时:UC< UTH,沟道不能形成,器件呈正向阻断状态;UG>UTH,绝缘门极下形成N沟道,由于载流子的相互作用,在N-区产生电导调制,使器件正向导通。

   

    1)导通

    IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似,主要差异是JGBT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),其中一个MOSFET驱动两个双极器件(有两个极性的器件)。基片的应用在管体的P、和N+区之间创建了一个J,结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道便形成,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,则J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整N-与N+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);一个空穴电流(双极)。当UCE大于开启电压UCE(th),MOSFET内形成沟道,为晶体管提供基极电流,IGBT导通。

   

    2)导通压降

    电导调制效应使电阻RN减小,通态压降小。所谓通态压降,是指IGBT进入导通状态的管压降UDS,这个电压随UCS上升而下降。

   

    3)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的电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是阂为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少于)。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。集电极电流将引起功耗升高、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Tc、IC:和uCE密切相关,并且与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。当栅极和发射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。

   

    4)反向阻断

    当集电极被施加一个反向电压时,J,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。另外,如果过大地增加这个区域的尺寸,就会连续地提高压降。

   

    5)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,J,结受反向电压控制。此时,仍然是由N漂移区巾的耗尽层承受外部施加的电压。

    6)闩锁

    ICBT在集电极与发射极之间有—个寄生PNPN晶闸管。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。具体来说,产生这种缺陷的原因各不相同,但与器件的状态有密切关系。