IGBT器件的系列分类
IGBT在设计上将MOS和双极型晶体管结合起来,在性能上兼有双极型器件压降小、电流密度大和MOS器件开关快、频率特性好的双重优点。在制造业上,在高电压、大电流的晶闸管制造技术基础上采用了集成电路微细加工技术。目前,国外IGBT公司生产酶产贏汪》要分为四类:
1)单独的IGBT:电流15~400A,电压400~1200V。
2)半桥IGBT:电流15~75A,电压500~1000V。
3)全桥IGBT:电流18~32A,电压400~500V。
4)三相IGBT:电流15~100A,电压400~1200V。
IGBT产品已模块化,每个IGBT都并联续流二极管,然后以一单元、二单元、六单元形式封装在同一模块外壳内。ABB半导体公司生产的IGBT模块是三相全桥式逆变模块,采用密集型封装结构系统(母线控制),安装简便,具有铜底板和无铜底板系列两种。
SPT结构的IGBT具有通态电压和关断损耗可降低20%,热阻无增加,并增加有效电流,皱纹状表面有利于散热,EMC良好的软开关波形。目前IGBT的最高水平为:单管,3000A/5000V;模块,1200A/3300Y,从不串不并的前提出发,IGBT可在低于1000kW的功率范围内使用。
IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为lkHz以上的区域。多使用在工业用电动机、民用小容量电动机、变换器(逆变器)、照相机的频闪观测器、感应加热(Induction Heating)电饭锅等领域。根据封装的不同,IGBT大致分为两种类型,一种是模压树脂密封的三端单体封装型,从TO-3P到小型表面贴装都已形成系列;另一种是把IGBT与FWD(Free Wheel Diode,续流二极管)成对地(2或6组)封装起来的模块型,主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同,分为多种形状及封装方式,都已形成系列化。饿
目前,IGBT制造上主要有两种结构即PT结构(PT型)和NPI’结构(NPT型),IGBT产品也有多种形式,其模块化结构有一单元(一个IGBT与一个续流二极管反向并联)、二单元、四单元、六单元及七单元,高压IGBT模块有平板和片状两类。IGBT的使用必须满足两个条件:一是在关断过程中,集电极峰值电流必须处在开关安全工作区内(小于两倍的额定电流lc),二是IGBT的工作结温必须保持在Tj(max)(l50℃)以下。
(1)六单元IGBT模块
小功率变频器多采用六单元结构的IGBT模块,其将六只IGBT封装在一个模块内,构成一个完整的三相逆变桥电路。最新的六单元IGBT模块由高速、低耗的IGBT芯片、检测电路、保护电路及栅极驱动电路集成而成,其方便了用户的产品设计,减少了组装的元件数,同时,其通态损耗和开关损耗都比较低,整体散热尺寸减小,从而使整机尺寸减小,由于六单元功率模块的不断改进。以富士FVR-EllS变频器为例,3。7kW高度仅为130rnm,在7.SkW以下一般都采用六单元结构的IGBT模块,目前六单元IGBT模块容量已达到300A/1200V×6,方便整机的设计与应用。
(2)二单元模块
二单元模块目前可提供的器件为625A/1200V或400A/1700’J,各变换器(DC/DC、AC/DC、DC/AC)生产厂商可用这些模块的不同组合生产出11~315 kW的通用变换器。EVPEC公司采用沟槽结构的IGBT通态压降低于2V,关断损耗减少了20%,而其经济封装结构降低了变换器生产成本,方便安装,简化了整机生产。富士P系列IGBT采用NPT工艺,通态压降与温度成正比,1400V的IGBT比普通IGBT有更大的安全工作区,低损耗,软开关,大大降低了EMI(Electro Magnetic Interference,电磁干扰)噪声。采用富士电机新一代IGBT生产的FRNG11/P11系列变频器的容量为0.2~400kW,具有较高的可靠性。
(3)高压IGBT
目前,欧洲半导体与电子(优派克)公司(European Semiconductors and ElectronicsCompany,EUPEC)已可提供 F21200R33 KF2(1200A/3300V)系列高压IGBT(HV-IGBT),其主要特点是采用了NPT结构,使IGBT关断过程中下降时间短、拖尾电流小,栅极发射极电压仅为15V,触发功率低,关断损耗小,di/dt,dv/dt都得到了有效控制,其IGBT芯片具有正电阻温度系数,易于并联,实现IGBT大功率化。利用计算机辅助设计优化了高压IGBT芯片的并联和芯片内部RLC网络特性;并实现了IGBT的内部低电感蘐讦莉、IGBT引线等可靠性设计。随着IGBT技术的成熟,模块正向统一和标准化方向发展。西门子公司采用高压IGBT和三电平技术开发了MV系列中压变频器,由于采用高压IGBT器件,使MV系列变频器的系统结构简单紧凑,可靠性高,目前已有数十套装置已投入运行。高压IGBT的应用前景十分广阔,日本富士公司将最新型片状高压IGBT用于新干线列车的主逆变器,降低了新干线列车在运行时的电动机噪声,比相同功率的IGBT牵引变换装置的体积和重量减小约1/3,比相同功率的GTO逆变器的体积和重量减小约1/2。
ABB公司采用平面低电感封装技术(FLIP)生产的内部电感只有3nH的1200A/3300V平板压接式IGBT,其体内结构采用透明P+,SPT基区,终端采用多重平面环保护。SPT型IGBT通态压降及关断损耗可减小20%,增大了IGBT芯片的额定电流密度,具有软开关波形,易于并联。