igbt工作原理及實(shí)物接線(xiàn)圖詳解-igbt接線(xiàn)時(shí)應注意事項-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-12-13
igbt工作原理及接線(xiàn)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，在現代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應用，在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。
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)射極之間加上驅動(dòng)正電壓，則MOSFET導通，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，導通時(shí)可以看做導線(xiàn)，斷開(kāi)時(shí)當做開(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的結構、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號如圖所示。
如圖所示為N溝道VDMOSFFT與GTR組合的N溝道IGBT(N-IGBT)的內部結構斷面示意圖。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，形成丁一個(gè)大面積的PN結J1。由于IGBT導通時(shí)由P+注入區向N基區發(fā)射少子，因而對漂移區電導率進(jìn)行調制，可仗IGBT具有很強的通流能力。介于P+注入區與N-漂移區之間的N+層稱(chēng)為緩沖區。有無(wú)緩沖區決定了IGBT具有不同特性。
有N*緩沖區的IGBT稱(chēng)為非對稱(chēng)型IGBT，也稱(chēng)穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬斷時(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較弱。無(wú)N-緩沖區的IGBT稱(chēng)為對稱(chēng)型IGBT，也稱(chēng)非穿通型IGBT。它具有較強的正反向阻斷能力，但它的其他特性卻不及非對稱(chēng)型IGBT。
如下圖(b)所示的簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是由GTR與MOSFET組成的達林頓結構，該結構中的部分是MOSFET驅動(dòng)，另一部分是厚基區PNP型晶體管。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，IGBT相當于一個(gè)由MOSFET驅動(dòng)的厚基區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晶體管基區內的調制電阻。從該等效電路可以清楚地看出，IGBT是用晶體管和MOSFET組成的達林頓結構的復合器件。岡為圖中的晶體管為PNP型晶體管，MOSFET為N溝道場(chǎng)效應晶體管，所以這種結構的IGBT稱(chēng)為N溝道IIGBT，其符號為N-IGBT。類(lèi)似地還有P溝道IGBT，即P- IGBT。
IGBT的電氣圖形符號如上圖(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，當柵射電壓UCE為正且大于開(kāi)啟電壓UCE（th）時(shí)，MOSFET內形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導通，此時(shí)，從P+區注入N-的空穴（少數載流子）對N-區進(jìn)行電導調制，減小N-區的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當柵射極間不加信號或加反向電壓時(shí)，MOSFET內的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。由此可知，IGBT的驅動(dòng)原理與MOSFET基本相同。
①當UCE為負時(shí)：J3結處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。
②當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-區產(chǎn)生電導調制，使器件正向導通。
1)導通
IGBT硅片的結構與功率MOSFET的結構十分相似，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驅動(dòng)兩個(gè)雙極器件（有兩個(gè)極性的器件）?；膽迷诠荏w的P、和N+區之間創(chuàng )建了一個(gè)J，結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時(shí)，一個(gè)N溝道便形成，同時(shí)出現一個(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，則J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整N-與N+之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結果是在半導體層次內臨時(shí)出現兩種不同的電流拓撲：一個(gè)電子流（MOSFET電流）；一個(gè)空穴電流（雙極）。當UCE大于開(kāi)啟電壓UCE(th），MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。
2)導通壓降
電導調制效應使電阻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
當在柵極施加一個(gè)負偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區內。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層內還存在少數的載流子（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)的數量和拓撲，層次厚度和溫度。
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、交叉導通問(wèn)題，特別是在使用續流二極管的設備上，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，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。當柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內的溝道消失，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-區擴展。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)機制十分重要。另外，如果過(guò)大地增加這個(gè)區域的尺寸，就會(huì )連續地提高壓降。
5)正向阻斷
當柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，J，結受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區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 )導通。這種現象會(huì )使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì )引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導通現象被稱(chēng)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(zhù)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)熱更嚴重，最終引至模塊的結溫超出模塊的安全工作的結溫上限（Tj《 125℃或125℃）。因為散熱器表面不平 整所引起的導熱膏的厚度增加，會(huì )增大接觸熱阻，從而減慢熱量的擴散速度。
IGBT模塊安裝時(shí)，螺釘的夾緊方法如圖2所示。另外，螺釘應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。
螺釘的夾緊方法
把模塊焊接到PCB時(shí)，應注意焊接時(shí)間要短。注意波形焊接機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條件：焊錫溫度： 260±5℃。焊接時(shí)間： 10±1s。次數：1次。
1）柵極與任何導電區要絕緣，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(xiàn)拆除。
2）在大功率的逆變器中，不僅上橋臂的開(kāi)關(guān)管要采用各自獨立的隔離電源，下橋臂的開(kāi)關(guān)管也要采用各自獨立的隔離電源，以避免回路噪聲，各路隔離電源要達到一定的絕緣等級要求。
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(xiàn)（條）必須滿(mǎn)足應用，以免電極端子發(fā)熱在模塊上產(chǎn)生過(guò)熱?？刂菩盘柧€(xiàn)和驅動(dòng)電源線(xiàn)要離遠些，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(xiàn)應盡量短，最好不要超過(guò)3cm。
5）驅動(dòng)信號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模塊驅動(dòng)端子上的黑色套管是防靜電導電管，用接插件引線(xiàn)時(shí)，取下套管應立即插上引線(xiàn)；或采用焊接引線(xiàn)時(shí)先焊接再剪斷套管。
7）對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要預熱80 ~105℃，在245℃時(shí)浸入焊接3~4s。
8）儀器測量時(shí)，應采用1000 電阻與G極串聯(lián)。在模塊的端子部測量驅動(dòng)電壓（ VGE）時(shí)，應確認外加了既定的電壓。
9）IGBT模塊是在用lC泡沫等導電性材料對控制端子采取防靜電對策的狀態(tài)下出庫的。這種導電性材料在產(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用時(shí)），不使用的IGBT的G-E間應加-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反向恢復時(shí)的dv/dt引起誤觸發(fā)而損壞。
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