igbt工作原理及實物接線圖詳解-igbt接線時應注意事項-KIA MOS管
信息來源：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，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，既具有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，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(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用，在較高頻率的大、中功率應用中占據(jù)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，基本上不消耗功率。
通俗來講:IGBT是一種大功率的電力電子器件，是一個非通即斷的開關，IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。三大特點就是高壓、大電流、高速。
igbt是一個三端器件，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?yún)^(qū)，形成丁一個大面積的PN結J1。由于IGBT導通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，因而對漂移區(qū)電導率進行調制，可仗IGBT具有很強的通流能力。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稱為非對稱型IGBT，也稱穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬斷時間短、關斷時尾部電流小等優(yōu)點，但其反向阻斷能力相對較弱。無N-緩沖區(qū)的IGBT稱為對稱型IGBT，也稱非穿通型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型IGBT。
如下圖(b)所示的簡化等效電路表明，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，另一部分是厚基區(qū)PNP型晶體管。
簡單來說，IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP型晶體管，它的簡化等效電路如上圖(b)所示，圖中的RN為PNP晶體管基區(qū)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溝道場效應晶體管，所以這種結構的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號為N-IGBT。類似地還有P溝道IGBT，即P- IGBT。
IGBT的電氣圖形符號如上圖(c)所示。IGBT是—種場控器件，它的開通和關斷由柵極和發(fā)射極間電壓UGE決定，當柵射電壓UCE為正且大于開啟電壓UCE（th）時，MOSFET內形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進而使IGBT導通，此時，從P+區(qū)注入N-的空穴（少數(shù)載流子）對N-區(qū)進行電導調制，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。當柵射極間不加信號或加反向電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關斷。由此可知，IGBT的驅動原理與MOSFET基本相同。
①當UCE為負時：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：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態(tài)；UG>UTH，絕緣門極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產生電導調制，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N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件（有兩個極性的器件）。基片的應用在管體的P、和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個J，結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道便形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產生一股電流。
如果這個電子流產生的電壓在0.7V范圍內，則J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)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，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是在半導體層次內臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓撲：一個電子流（MOSFET電流）；一個空穴電流（雙極）。當UCE大于開啟電壓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進入導通狀態(tài)的管壓降UDS，這個電壓隨UCS上升而下降。
3)關斷
當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內。在任何情況下，如果MOSFET的電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是閡為換向開始后，在N層內還存在少數(shù)的載流子（少于）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數(shù)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、交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設備上，問題更加明顯。
鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的Tc、IC：和uCE密切相關，并且與空穴移動性有密切的關系。因此，根據(jù)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，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。
4)反向阻斷
當集電極被施加一個反向電壓時，J，就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以這個機制十分重要。另外，如果過大地增加這個區(qū)域的尺寸，就會連續(xù)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正電壓時，J，結受反向電壓控制。此時，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—個寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖。具體來說，產生這種缺陷的原因各不相同，但與器件的狀態(tài)有密切關系。
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，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模塊與散熱器通過螺釘夾緊，散熱絕緣混合劑就散開，使IGBT模塊與散熱器均一接觸。
上圖：兩點安裝型模塊 下圖：一點安裝型模塊
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，會增大接觸熱阻，從而減慢熱量的擴散速度。
IGBT模塊安裝時，螺釘?shù)膴A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夾緊。如果該力矩不足，可能使接觸熱阻變大，或在工作中產生松動。反之，如果力矩過大，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，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，應注意焊接時間要短。注意波形焊接機的溶劑干燥劑的用量，不要使用過量的溶劑。模塊不能沖洗。用網(wǎng)版印刷技術在散熱器表面印刷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，輕微移動模塊可以更好地分布散熱膏。安裝螺釘時先用合適的力度固定兩個螺釘，然后用推薦的力度旋緊螺釘。
在IGBT模塊的端子上，將柵極驅動電路和控制 電路錫焊時，一旦焊錫溫度過高，可能發(fā)生外殼樹脂材料熔化等不良情況。一般性產品的端子耐熱性試驗條件：焊錫溫度： 260±5℃。焊接時間： 10±1s。次數(shù)：1次。
1）柵極與任何導電區(qū)要絕緣，以免產生靜電而擊穿，IGBT在包裝時將G極和E極之問有導電泡沫塑料，將它短接。裝配時切不可用手指直接接觸G極，直到 G極管腳進行永久性連接后，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，不僅上橋臂的開關管要采用各自獨立的隔離電源，下橋臂的開關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，主端子電極間不能有張力和壓力作用，連接線（條）必須滿足應用，以免電極端子發(fā)熱在模塊上產生過熱。控制信號線和驅動電源線要離遠些，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上的走線應盡量短，最好不要超過3cm。
5）驅動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模塊驅動端子上的黑色套管是防靜電導電管，用接插件引線時，取下套管應立即插上引線；或采用焊接引線時先焊接再剪斷套管。
7）對IGBT端子進行錫焊作業(yè)的時候，為了避免由烙鐵、烙鐵焊臺的泄漏產生靜電加到IGBT上，烙鐵前端等要用十分低的電阻接地。焊接G極時，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，溫度260℃±5℃，時間（10 +1）s。波峰焊接時，PCB要預熱80 ~105℃，在245℃時浸入焊接3~4s。
8）儀器測量時，應采用1000 電阻與G極串聯(lián)。在模塊的端子部測量驅動電壓（ VGE）時，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品進行電路連接后才能去除。
10）僅使用FWD而不使用IGBT時（比如在斬波電路等中應用時），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，IGBT可能由于FWD反向恢復時的dv/dt引起誤觸發(fā)而損壞。
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