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1、奥鹏远程教育中心助学服务部 http:/ 浙大09春学期电力电子技术课程 第二章功率半导体器件的驱动和保护 拓展资源本章拓展资源我们继续瞄准被业界广泛使用的IGBT，从发展历史，趋势，以及驱动和保护等方面近年来,随着我国经济的持续快速发展,能源消耗日趋紧张,节约能源是我国的基本国策。据报道,全球的电能消耗50%来自电动机。当前,在电动机驱动系统中,已经从强电控制进入弱电控制的节能时代。新型电力电子器件在该系统中扮演着重要的角色,它是机械自动化、控制智能化的关键部件,是节约电能的新型半导体器件。因此,大力发展新型电力电子器件的设计制造以及模块的开发和应用是节约电能的重要措施。IGBT ( Ins
2、ulate Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极晶体管作为新型电力电子器件的代表,是整机系统提高性能指标和节能指标的首选产品。它集高频率、高电压、大电流等优点于一身,是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品。IGBT主要用于逆变器、低噪音电源、UPS不间断电源以及电动机变频调速等领域。IGBT的用途非常广泛,小到变频空调、静音冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器,大到电力机车牵引系统都离不开它。IGBT在军事机载、舰载、雷达等随动系统中也有广泛的用途。目前,国内IGBT产品依赖进口。国外IGBT产品已大量生产,而国内IGBT还处于研制阶段。与国外相比, I
3、GBT的制造工艺技术至少落后十年, IGBT的国产化形势相当紧迫。因此,开展IGBT的研发工作对我国国民经济和国防工业的发展具有十分重要的意义。国际、国内现状IGBT是上世纪80年代初研制成功,并在其性能上,经过几年的不断提高和改进,已成熟地应用于高频( 20KHz以上)大功率领域。它将MOSFET的电压控制、控制功率小、易于并联、开关速度高的特点和双极晶体管的电流密度大、电流处理能力强、饱和压降低的特点集中于一身,表现出高耐压、大电流、高频率等优越的综合性能。图1和图2分别是槽栅IGBT结构和单晶片透明集电极NPT - IGBT结构,两种都是当今世界上流行的先进结构。IGBT的技术特点目前,
4、世界上最先进的IGBT结构及技术特点: NPT - IGBT和Trench - IGBT; 亚微米线条精度 大规模CMOS IC工艺; 薄单晶硅片技术; 背P+发射极技术; 分层辐照技术。新结构高性能IGBT1996年西门子公司(现Infineon公司)率先推出1200V的NPT(非穿通型) - IGBT后,于1999年推出600V /50A 的NPT - IGBT, 其通态压降为2. 1V 。关断时间为30ns,NPT - IGBT的出现是功率场控器件技术上的重大突破。1998 年日本公司推出600V Trench (沟槽栅) IGBT,其典型通态压降1. 8V,关断时间0. 15s。199
5、8年由日本人提出SDB (硅片直接键合) IGBT,随后美国飞兆半导体公司( Fairchild semiconductor)推出小功率SDB- IGBT 投放市场。1999 年IXYS 公司推出了1600V /40A CS (集电极短路) IGBT,其关断时间小于200ns。近年来,美国飞兆半导体公司又推出1000V /60A NPT - Trench - IGBT, 其通态压降2. 5V,关断时间130ns,专为IH电饭煲、电磁炉、微波炉应用而设计,满足最新的节能标准。快速IGBT已应用到了150KHz180KHz的频率范围(如美国Intesil 公司的SMPS IGBT 系列和IR 公司
6、的WARPZTM IGBT系列) 。IGBT模块的研究也很活跃, IGBT模块多以超大功率IGBT模块和IGBT -IPM智能功率模块为主。IGBT - IPM是以IGBT芯片为基体内含接口、传感、保护和功率控制等功能电路的智能功率模块。1993 年德国EUPEC公司推出3200V /1300A的IGBT模块,它是多个IGBT芯片串联加并联组成的。1996年日本东芝公司推出了2500V /1000A 的IGBT模块具有同大功率晶闸管、GTO管相同的平板压接式封装结构。该模块由24 个2500V /80A 的IGBT芯片并联而成,还有16 个2500V /100A 的超快恢复二极管( FRED)
7、芯片与之反并联(续流二极管) 。此后,东芝公司又开发了1700V /1200A、工作频率40KHz,并具有驱动电路和过流、过载、短路、栅极欠压等保护电路的IGBT - IPM。近年来,国外又有2000V /600A 的IGBT - IPM已用于电力机车VVVF逆变器中。日本三菱公司开发第五代IGBT硅片技术,推出应用于变频空调、静音冰箱、洗衣机等家电中的IGBT - IPM,以高性能产品来满足变频家电最新的节能标准要求。目前, IGBT的单片水平已达到80A /4500V、模块水平达到1800A /4500V、工作频率达到150KHz。技术上发展到第五代,这一代IGBT的技术特点是NPT槽栅结
8、构,采用了亚微米微细加工技术、薄单晶硅片技术、背P+ 层透明发射极技术和分层辐照技术。IGBT未来的发展方向有两个,一是超大功率、智能化IGBT模块;二是快速IGBT。IGBT的迅速发展促进了智能功率模块IPM ( Intelligent PowerModule)的发展。目前, IGBT - IPM 已发展到把MPU和PWM等控制电路也集成进来的第三代产品。IPM的发展趋势是功率容量更大、开关频率更高、控制及保护等电路的性能更好、功能更全。国内主要研究现状由于设备及工艺水平等因素的影响,国内IGBT还处于研制阶段。1997 年西安电力电子技术研究所研制出1050V /20A的PT - IGBT
9、样品,并对少子寿命控制技术进行了较深入的研究。2000 年电子科技大学微电子所研制出1200V /20A SDB - IGBT的样品。2001年北京工业大学对NPT - IGBT进行了深入研究。该项研究是把N+扩散层做缓冲层加入NPT - IGBT结构中,背P+集电区是采用硼离子注入形成的浓度不高,浅结(约5m)的透明集电极,这与国外NPT技术相同。并对新结构IGBT进行了仿真。2004年西安交通大学对NPT - Trench -IGBT工艺进行了创新性研究。该项研究是采用全自对准槽栅工艺,大规模集成电路的LDD工艺,只用2块掩模完成器件制作,该技术已申请国家发明专利。中国电子科技集团公司47
10、所、24所也进行了深入的研究。我国对IGBT的研究始于上世纪90年代初,研究单位多数是大学。目前,国内还没有商品化的IGBT投入市场,研制开发工作比较漫长。市场需求情况及发展趋势军品市场情况IGBT的性能极其优越, 在电子系统中, 采用IGBT或IGBT-IPM技术后,可使整机的性能及可靠性显著提高。IGBT在军事领域有广泛的应用。机载、舰载、雷达等随动系统和自动定位系统中的侍服电机驱动用IGBT-IPM, 其性能规格600V /3060A;在军事机载、星载电源系统中的DC /DC变换器用IGBT单管,其性能规格400V /80120A;在大功率领域,舰艇上导弹发射装置控制用IGBT-IPM等
11、。民品市场情况IGBT在民品市场具有更加广泛的应用。电磁感应加热用IGBT:在IH电饭煲、电磁炉、微波炉的电磁感应加热电路中,采用IGBT单管,其性能规格6001500V /4080A,如美国飞兆半导体公司最新推出的1000V /60A NPT - Trench - IGBT,其通态压降2. 5V,关断时间130ns,专门投放中国市场。频闪观测器用IGBT:在照相机频闪观测器电路中,也采用IGBT单管,其性能规格400V /6080A,如日本东芝公司生产的GT20G101系列产品。变频器用IGBT:在变频空调、静音冰箱、洗衣机等家电的电机驱动系统中,采用IGBT - IPM。每个模块含有6 个
12、IGBT芯片,其性能规格600V /15 50A。如美国飞兆、日本富士公司分别推出的Motion - IPM系列和R系列产品投入市场。日本三菱公司开发第五代IGBT硅片技术,以高性能产品来满足变频家电最新的节能标准要求。逆变器用IGBT:在节能灯电子镇流器中,采用小功率单管IGBT,其性能规格600V/510A;在电力机车VVVF逆变器中,采用大功率IGBT-IPM,其性能规格2000V/600A。此外, IGBT及IGBT-IPM在通讯电源、UPS不间断电源及电焊机中也有广泛的应用。市场发展前景步入21世纪,全球电力电子器件市场呈现快速发展的势头,特别是我国随着近年国民经济的快速发展和对电力
13、电子器件需求的不断增加,市场总规模日益膨胀。“十五”期间电力电子器件年平均增长速度超过20% , 2005 年市场销售额超过200 亿元。而其中的高科技产品IGBT等新型电力电子器件年平均增长率超过30%。2005年,国内IGBT市场超过5亿只。预计“十一五”期间IGBT的市场年平均增长率也将保持30%以上。IGBT对控制驱动电路的要求功率IGBT 是电压驱动元件,具有一个(36)V 的阈值电压,有一个较大的容性输入阻抗,对栅极电荷非常敏感,故驱动电路必须很可靠, IGBT 开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路性能的变化而变化,驱动电路性能直接决定IGBT 能否正常工作,IGBT 常采用栅极驱
14、动,与其它自关断器件一样,IGBT 对驱动电路也有一些特殊要求。(1) 极驱动电压UGE 。在IGBT 开通时,脉冲前沿很陡的栅极电压加到栅极和发射极之间,使IGBT 快速开通,开通时间短,减小开通损耗;在关断时,下降沿陡的反向偏置电压加到栅极与发射极间,使之快速关断,减小关断损耗。因此,用内阻小的驱动源对栅极电容充放电,以保证栅极控制电压UGE有足够陡的前后沿,使IGBT 的开关损耗尽量小。IGBT 导通中及瞬时过载时,栅极驱动源应能提供足够的功率,使IGBT 不退出饱和而损坏。阈值电压UGE(th) 由器件本身性能决定,实际应用中UGE应不小于(1. 52. 5) UGE( th) , 以
15、利获得最小导通压降。当UGE 增加时,导通状态下的集射电压UCE压减小,通态压降和开通损耗均下降;但负载过程中UGE增加,集电极电流Ic 也随之增加, IGBT 能承受短路电流的时间减小,对其安全不利,因此在有短路过程的设备中Uge 应选得小些,由于饱和导通电压是IGBT 发热的主要原因之一,因此必须尽量减小。综合考虑,一般选+ 15V; IGBT 关断时,栅射极间加反偏电压有利于IGBT 迅速关断,但反偏电压- UGE 受栅射极间反向最大耐压限制,过大则造成栅射极的反向击穿,一般-UGE 为( -2 -10)V ,通常取- 5 V 关栅电压。电路上采用稳压管的办法,用+20V 电压来产生+ 15V 开栅电压和-5V 关栅电压。(2) 栅极电阻RG 。IGBT 的输入阻抗高达1091011欧姆,且为纯容性的,不需直流电流,在它的栅极- 发射极间施加十几伏的电压,只有A 级的漏电流流过,基本上不消耗功率。为了改善控制冲前后沿陡度,减少IGBT 集电极大的电压尖脉冲,需在栅极串联电阻RG ,栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT 的开通过程影响较大,而对关断过程影响小一些,串联电阻小有利于加快关断速率,减小关断损耗,但过小会造成di/ dt 增高,产生较大的集
