詳細(xì)信息
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小,開(kāi)關(guān)速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。 圖1所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu), N+ 區(qū)稱(chēng)為源區(qū),附于其上的電極稱(chēng)為源極。N+ 區(qū)稱(chēng)為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū),附于其上的電極稱(chēng)為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成),稱(chēng)為亞溝道區(qū)( Subchannel region )。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱(chēng)為漏注入?yún)^(qū)( Drain injector ),它是IGBT 特有的功能區(qū),與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管,起發(fā)射極的作用,向漏極注入空穴,進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制,以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱(chēng)為漏極。 IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道,給PNP 晶體管提供基極電流,使IGBT 導(dǎo)通。反之,加反向門(mén)極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同,只需控制輸入極N一溝道MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后,從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子),對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制,減小N 一層的電阻,使IGBT 在高電壓時(shí),也具有低的通態(tài)電壓。
IGBT模塊的選擇
IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見(jiàn)下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí),所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí),開(kāi)關(guān)損耗增大,使原件發(fā)熱加劇,因此,選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí),由于開(kāi)關(guān)損耗增大,發(fā)熱加劇,選用時(shí)應(yīng)該降等使用。
使用中的注意事項(xiàng)
由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu),IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄,其擊穿電壓一般達(dá)到20~30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn):
在使用模塊時(shí),盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分,當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí),要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后,再觸摸; 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí),在配線(xiàn)未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊; 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)柵極最大額定電壓,但柵極連線(xiàn)的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合,也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此,通常采用雙絞線(xiàn)來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào),以減少寄生電感。在柵極連線(xiàn)中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。
此外,在柵極—發(fā)射極間開(kāi)路時(shí),若在集電極與發(fā)射極間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由于集電極有漏電流流過(guò),柵極電位升高,集電極則有電流流過(guò)。這時(shí),如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓,則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。
在使用IGBT的場(chǎng)合,當(dāng)柵極回路不正常或柵極回路損壞時(shí)(柵極處于開(kāi)路狀態(tài)),若在主回路上加上電壓,則IGBT就會(huì)損壞,為防止此類(lèi)故障,應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。
在安裝或更換IGBT模塊時(shí),應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻,最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇,當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱,而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查,一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器,當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。
保管時(shí)的注意事項(xiàng)
一般保存IGBT模塊的場(chǎng)所,應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài),不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5~35℃ ,常濕的規(guī)定在45~75%左右。在冬天特別干燥的地區(qū),需用加濕機(jī)加濕; 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合; 在溫度發(fā)生急劇變化的場(chǎng)所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象,因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方; 保管時(shí),須注意不要在IGBT模塊上堆放重物; 裝IGBT模塊的容器,應(yīng)選用不帶靜電的容器。
IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性,使它得到了快速的發(fā)展和普及,已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能,了解選擇及使用時(shí)的注意事項(xiàng)對(duì)實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要。
發(fā)展歷史
1979年,MOS柵功率開(kāi)關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個(gè)類(lèi)晶閘管的結(jié)構(gòu)(P-N-P-N四層組成),其特點(diǎn)是通過(guò)強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。
80年代初期,用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS(雙擴(kuò)散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體)工藝被采用到IGBT中來(lái)。[2]在那個(gè)時(shí)候,硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT(非穿通)型設(shè)計(jì)。后來(lái),通過(guò)采用PT(穿通)型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個(gè)顯著改進(jìn),這是隨著硅片上外延的技術(shù)進(jìn)步,以及采用對(duì)應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計(jì)的n+緩沖層而進(jìn)展的[3]。幾年當(dāng)中,這種在采用PT設(shè)計(jì)的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)規(guī)則從5微米先進(jìn)到3微米。
90年代中期,溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT,它是采用從大規(guī)模集成(LSI)工藝借鑒來(lái)的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新刻蝕工藝,但仍然是穿通(PT)型芯片結(jié)構(gòu)。[4]在這種溝槽結(jié)構(gòu)中,實(shí)現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時(shí)間之間折衷的更重要的改進(jìn)。
硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變,先是采用非穿通(NPT)結(jié)構(gòu),繼而變化成弱穿通(LPT)結(jié)構(gòu),這就使安全工作區(qū)(SOA)得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類(lèi)似的改善。
這次從穿通(PT)型技術(shù)先進(jìn)到非穿通(NPT)型技術(shù),是最基本的,也是很重大的概念變化。這就是:穿通(PT)技術(shù)會(huì)有比較高的載流子注入系數(shù),而由于它要求對(duì)少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制致使其輸運(yùn)效率變壞。另一方面,非穿通(NPT)技術(shù)則是基于不對(duì)少子壽命進(jìn)行殺傷而有很好的輸運(yùn)效率,不過(guò)其載流子注入系數(shù)卻比較低。進(jìn)而言之,非穿通(NPT)技術(shù)又被軟穿通(LPT)技術(shù)所代替,它類(lèi)似于某些人所謂的“軟穿通”(SPT)或“電場(chǎng)截止”(FS)型技術(shù),這使得“成本—性能”的綜合效果得到進(jìn)一步改善。
1996年,CSTBT(載流子儲(chǔ)存的溝槽柵雙極晶體管)使第5代IGBT模塊得以實(shí)現(xiàn)[6],它采用了弱穿通(LPT)芯片結(jié)構(gòu),又采用了更先進(jìn)的寬元胞間距的設(shè)計(jì)。目前,包括一種“反向阻斷型”(逆阻型)功能或一種“反向?qū)ㄐ汀保鎸?dǎo)型)功能的IGBT器件的新概念正在進(jìn)行研究,以求得進(jìn)一步優(yōu)化。
IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng),各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路,高性能IGBT芯片,新型封裝技術(shù),從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展,其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V,IPM除用于變頻調(diào)速外,600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車(chē)VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB,用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB,大大降低電路接線(xiàn)電感,提高系統(tǒng)效率,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)成功第二代IPEM,其中所有的無(wú)源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)。
現(xiàn)在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅(qū)動(dòng)電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路.其性能更好,整機(jī)的可靠性更高及體積更小。
IGBT晶體管;串聯(lián)諧振;半可控整流 長(zhǎng)期以來(lái)可控硅中頻電源占領(lǐng)著國(guó)內(nèi)感應(yīng)加熱設(shè)備的主流,它的負(fù)載采用并聯(lián)諧振方式.此種電源具有技術(shù)成熟、負(fù)載匹配方便等優(yōu)點(diǎn),但由于它的整流部分采用可控硅全控整流方式,所以對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染嚴(yán)重;同時(shí)由于它的負(fù)載是一種電流型諧振方式,電壓低電流大,所以線(xiàn)路損耗比較大。隨著國(guó)家對(duì)治理電網(wǎng)污染和節(jié)能降耗的要求的提出,市場(chǎng)急需一種無(wú)諧波干擾,并且節(jié)能降耗的感應(yīng)加熱設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足廣大用戶(hù)要求,我公司根據(jù)目前市場(chǎng)需求組織開(kāi)發(fā)了節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是一種大功率半導(dǎo)體器件,它是一種雙極性絕緣柵晶體管。于80年代開(kāi)始投入市場(chǎng)。目前世界上主要有以下幾個(gè)廠家:德國(guó)西門(mén)子(EUPEC)、德國(guó)西門(mén)康(SEMIKRON)、日本三菱公司、美國(guó)ABB公司,我公司目前采用德國(guó)西門(mén)康公司的SⅪ訂500GAl28DIGBT模塊。它是一種正溫度系數(shù)的IGBT模塊,有利于并聯(lián)時(shí)均流。1節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源組成 節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源共由四部組成,它們分別為整流、濾波、逆變輸出、熔煉爐體。結(jié)構(gòu)圖如下: 素 C 節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源各部分工作原理如下: (1)整流部分:IGBT中頻整流采用半可控方式,可控硅僅作開(kāi)關(guān)使用,即每當(dāng)啟動(dòng)設(shè)備時(shí)整流后的電壓總保持500V,而不隨功率大小而變化,這樣可大大減小了諧波的產(chǎn)生,減輕了對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。整流控制部分采用CPLD控制,它與IGBT中頻主板之間通過(guò)四根線(xiàn)進(jìn)行連接,其中兩根作為啟動(dòng)整流線(xiàn),另兩根作為停止、保護(hù)信號(hào)線(xiàn)。 (2)濾波部分:IGBT中頻采用電抗器濾波和電解電容濾波兩種方式,電抗器濾波可使電流連續(xù)。電解電容濾波可使電壓恒定,這樣可保逆變部分得到一個(gè)穩(wěn)定的電壓源和電流源。 (3)IGBT模塊逆變部分:逆變部分采用半橋逆變。逆變器件為IGBT模塊.它是由德國(guó)西門(mén)康公司生產(chǎn)的(SEMIKRON),此種模塊為一種正溫度系數(shù)的模塊,即當(dāng)溫度升高時(shí)它的通態(tài)阻抗將增大,這樣有利于均流。 178 李慶新節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源(4)IGBT模塊驅(qū)動(dòng):驅(qū)動(dòng)部分采用德國(guó)西門(mén)康公司生產(chǎn)的配套驅(qū)動(dòng)板,此種驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),保護(hù)功能完善,可同時(shí)驅(qū)動(dòng)6塊IGBT模塊,具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能。高檔次的驅(qū)動(dòng)板是設(shè)備可靠運(yùn)行的有利保障。 (5)驅(qū)動(dòng)電源:驅(qū)動(dòng)電源采用隔離電模塊,即驅(qū)動(dòng)電源的“地”與外部電源是隔離的。這樣可避免外部干擾的影響.有利于設(shè)備的可靠運(yùn)行。 (6)主控板:主控制板由我公司自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。它具有以下功能 ①脈沖合成功能:主控制板將單路脈沖信號(hào)通過(guò)JK觸發(fā)器分成兩路脈沖,然合通過(guò)一系列的邏輯門(mén)電路將此信號(hào)合成為兩路對(duì)稱(chēng)的雙路脈沖,兩路脈沖之間的死區(qū)時(shí)間可調(diào)。②頻率跟蹤功能:主控板將槽路信號(hào)與調(diào)功電位器電壓信號(hào)合成一復(fù)合電壓信號(hào),通過(guò)此電壓信號(hào)控制壓控振蕩器的輸出頻率,從而使線(xiàn)路板上的輸出頻率始終跟隨槽路頻率。說(shuō)明:調(diào)功電位器實(shí)質(zhì)是調(diào)整換流角度。③同步保護(hù)功能:當(dāng)槽路頻率與主控制板上觸發(fā)輸出脈沖頻率不同步時(shí),設(shè)備功率將自動(dòng)降到最低,這樣有利于保護(hù)設(shè)備。④過(guò)流、限流功能:IGBT中頻主控制板具有兩路過(guò)流和限流功能,一路來(lái)自三相進(jìn)線(xiàn),另一路來(lái)自感應(yīng)圈。當(dāng)超過(guò)所設(shè)定的電流值時(shí)主控制板將報(bào)過(guò)流故障。并自動(dòng)停止設(shè)備運(yùn)行;當(dāng)輸出電流達(dá)到所規(guī)定的電流時(shí)主控板將進(jìn)行限流狀態(tài),并使電流穩(wěn)定于所設(shè)定的電流值不變,此時(shí)達(dá)到恒功率運(yùn)行。⑤水溫、水壓保護(hù)功能:IGBT中頻主控板通過(guò)溫度傳感器監(jiān)視循環(huán)水的溫度,當(dāng)水溫超出所規(guī)定的溫度時(shí)主控制板將報(bào)警,同時(shí)自動(dòng)停止設(shè)備運(yùn)行;IGBT中頻主控板同時(shí)具有水壓保護(hù)功能。因IGBT中頻采用內(nèi)外兩個(gè)循環(huán).所以水壓保護(hù)分為內(nèi)水壓和外水壓報(bào)警,當(dāng)水壓低于設(shè)定的水壓值時(shí)主控板將報(bào)警,同時(shí)自動(dòng)停止設(shè)備運(yùn)行。2節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源性能特點(diǎn) (1)節(jié)能:節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源比傳統(tǒng)可控硅中頻電源節(jié)能25%~28%,節(jié)能的主要原因有以下幾個(gè)方面:①逆變電壓高,電流小,線(xiàn)路損耗小,此部分可節(jié)能15%~18%},節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源逆變電壓為2800V,而傳統(tǒng)可控硅中頻電源逆變電壓僅為750 V,電流小了近4倍,線(xiàn)路損耗大大降低;②功率因數(shù)高,功率因數(shù)始終大于0.98,無(wú)功損耗小,此部分可可控硅中頻電源節(jié)能3%~5%。由于節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源采用了半可控整流方式,整流部分不調(diào)可控硅導(dǎo)通角,所以整個(gè)工作過(guò)程功率因數(shù)始終大于0.98,無(wú)功損耗??;③爐口熱損失少:由予節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源比同等功率可控硅中頻電源一爐可快20min,20min時(shí)間內(nèi)爐口損失的熱量可占整個(gè)過(guò)程的3%,所以此部分比可控硅中頻可節(jié)能3%左右。 節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源與可控硅中頻電源經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比表 電源類(lèi)型 電耗 熔化率 節(jié)約電能 節(jié)約電費(fèi) 年產(chǎn)量 經(jīng)濟(jì)效益 0.5噸可控硅中頻爐 850度/噸 1.5小時(shí),噸 不節(jié)電 不節(jié)約 1000噸 無(wú)效益 0.5噸IGBT晶體管巾頻電源 650度/噸 1小時(shí)/o.5噸 節(jié)電200度/噸 節(jié)約(O.5元/度)100元/噸 1400噸 14萬(wàn)元 0.75噸以上H,控硅中頻電源900度/噸 1.5度/噸 小節(jié)電 不節(jié)約 1000噸 無(wú)效益 0.75噸以上IGBT晶體管中頻電源600度/噸 1小時(shí)/噸 節(jié)電300度/噸 節(jié)約(0.5元/度)150元/噸 1500噸 22.5萬(wàn)元 (2)無(wú)高次諧波干擾:高次諧波主要來(lái)自整流部分調(diào)壓時(shí)可控硅產(chǎn)生的毛刺電壓,它會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng),導(dǎo)致其它電器設(shè)備無(wú)法正常工作,而節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源的整流部分采用半可控整流方式,直流電壓始終工作在最高,不調(diào)導(dǎo)通角,所以它不會(huì)產(chǎn)生高次諧波,不會(huì)污染電網(wǎng)、變壓器,開(kāi)關(guān)不發(fā)熱,不會(huì)干擾工廠內(nèi)其它電子設(shè)備運(yùn)行。 (3)恒功率輸出:可控硅中頻電源采用調(diào)壓調(diào)功,而節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源采用調(diào)頻調(diào)功,它不受爐料多少和爐襯厚薄的影響,在整個(gè)熔煉過(guò)程中始終保持恒功率輸出,節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源是唯一實(shí)現(xiàn)恒功率輸出的變頻電源,尤其是生產(chǎn)不銹鋼、銅、鋁等不導(dǎo)磁物質(zhì)時(shí),更顯示它的優(yōu)越性,熔化速度快,爐料元素?zé)龘p少。節(jié)能效果更好。降低了鑄造成本。 (4)產(chǎn)品啟動(dòng)性能好:節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源的逆變方式為串聯(lián)逆變,串聯(lián)逆變的其中一個(gè)特點(diǎn)為100%啟動(dòng),所以節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源徹底解決了可控硅中頻啟動(dòng)困難的問(wèn)題。不論空載還是滿(mǎn)載均能100%啟動(dòng)。 179 李慶新節(jié)能型IGBT晶體管中攝電源 (5)使用維修方便:節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)清,保護(hù)齊全,具備完備的故障顯示功能能迅速找到故障點(diǎn).維修方便。3技術(shù)參數(shù)與工作波形 節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源(以300 kW為例)技術(shù)參數(shù)如下①三相進(jìn)線(xiàn)電壓380V.@直流電壓500V;@直流電流600A;④感應(yīng)圈電壓2800V:@中頻頻率2 kHz@熔化率O 57t/h;⑦電耗630 kW h/t。 各部分工作渡形如下: ①IGBT觸發(fā)波形: 實(shí)測(cè)照片如下 逆變電壓電流波形圖:測(cè)試方{擊:采用雙蹤示渡器一路澍逆變輸出電壓。另一路測(cè)互感器采樣波形,實(shí)測(cè)波形如下.電壓超前電流2 us,當(dāng)加料時(shí)保證電壓不超前電流,具體渡形如下。