富士IGBT 模块应用手册

2019-11-23 18:45:48 Westpac Electronics
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第 1 章 构造与特征 1. IGBT 芯片构造的变迁 .......................................... 1-2 2. IGBT 模块的构造 .............................................. 1-4 3. IGBT 模块的电路结构 .......................................... 1-5 4. 过电流限制功能 ............................................... 1-6 5. 关于 RoHS 指令 ................................................ 1-6 6. 安规标准:关于 UL 认证 ........................................ 1-6 第 2 章 术语与特性 1. 术语说明 ..................................................... 2-2 2. IGBT 模块的特性 .............................................. 2-4 第 3 章 应用中的注意事项 1. IGBT 模块的选定 .............................................. 3-2 2. 静电对策与门极保护 ........................................... 3-3 3. 保护电路设计 ................................................. 3-4 4. 散热设计 ..................................................... 3-4 5. 驱动电路设计 ................................................. 3-4 6. 并联连接 ..................................................... 3-5 7. 实际安装的注意事项 ........................................... 3-5 8. 保存、运输上的注意事项 ....................................... 3-6 9. 关于可靠性的注意事项 ......................................... 3-6 10. 其它实际使用中的注意事项 .................................... 3-7 第 4 章 发生故障时的应对方法 1. 发生故障时的解决方法 ......................................... 4-1 2. 故障的判定方法 ............................................... 4-7 3. 典型故障及其解决方法 ......................................... 4-8 第 5 章 保护电路的设计方法 1. 短路(过电流)保护 ........................................... 5-2 2. 过电压保护 ................................................... 5-6 第 6 章 散热设计方法 1. IGBT 损耗的计算方法 .......................................... 6-2 2. 散热器(冷却体)的选择方法 ................................... 6-7 3. IGBT 模块的安装方法 ......................................... 6-11 第 7 章 门极驱动电路设计方法 1. 驱动条件和主要特性的关系 ..................................... 7-2 2. 关于驱动电流 ................................................. 7-6 3. 死区时间的设定 ............................................... 7-8 4. 驱动电路的具体实例 .......................................... 7-10 5. 驱动电路设计、实际安装的注意事项 ............................ 7-11 第 8 章 IGBT 模块的并联应用 1. 稳态电流的不均衡 ............................................. 8-2 2. 开关状态电流的不均衡 ......................................... 8-6 3. 门极驱动电路 ................................................. 8-7 4. 并联时的接线图 ............................................... 8-8 第 9 章 评价、测量方法 1. 适用范围 ..................................................... 9-1 2. 评价、测量方法 ............................................... 9-1 第 10 章 IGBT 模块的电磁兼容性设计 1. 电机驱动系统的电磁兼容性概述 ................................ 10-1 2. 电机驱动系统的 EMI 设计...................................... 10-4 3. IGBT 模块应用的 EMI 应对措施................................. 10-11 第 11 章 功率模块的可靠性 1. 可靠性的基础 ................................................ 11-2 2. 可靠性试验 .................................................. 11-4 3. 功率周期曲线 ................................................ 11-6

应用于电机调速驱动装置以及电子计算机的不间断电源等设备的 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)模块,随着近年来人们对节能、装置小型化、轻量化要求的不断提高,而 急速地发展起来。IGBT 作为一种兼具功率 MOSFET 的高速交换性和双极晶体管的高电压、大电流处理能力的 器件,今后将会获得更大的发展。

IGBT 芯片构造的变迁 通过向门极外加正向电压来形成 N 型沟道(N 沟道型)的 IGBT,是通过在功率 MOSFET 的漏极上追加 p+ 层 构成的,同时也是一种通过使用基极层的电导率调制,实现大电流下低通态电阻化的器件。 IGBT 的构造可大致划分为表面栅构造和整体构造(以基极层形成为基础)。表面栅构造又分为平面栅构造 和沟槽栅构造两种。其中,平面栅构造在晶片表面(即芯片表面)形成门极,沟槽栅构造在晶片中间开槽形成 门极。整体构造又可大致分为(在关断状态时)耗尽层与集电极连接的穿透(Punch Through)型和不与集电 极连接的非穿透(Non Punch Through)型两种。 图 1-1 所示为 N 沟道型 IGBT 的构造比较。 富士电机从 1988 年开始对 IGBT 进行产品化,至今一直在市场上供应。当时,平面栅穿透型 IGBT 为主流 产品。 当时的穿透型 IGBT 是一种使用外延晶片的 IGBT,它通过从集电极大量注入载流子来实现低通态电压,同 时由于在关断状态下,需要迅速消除注入到 N 基极层的载流子,所以使用了生命周期控制技术。通过这些,实 现了低通态电压及低关断损耗(Eoff)。 但是在使用了生命周期控制技术的情况下,需要通过生命周期控制技术抑制大量注入的载流子,所以在特 性改善方面受到了限制,而且在使用生命周期控制技术时,导通电压特性会产生偏差,对于近年来需求日益提 高的并列应用所需的大容量化发展等方面非常不利。 为了攻破此难题,富士电机开发了非穿透型 IGBT。非穿透型 IGBT 不仅通过对集电极(p+层)的掺杂物浓度 的控制,抑制了载流子的注入效率,更减小了 N 基极层的厚度提高了输送效率。一方面由于非穿透型 IGBT 可 使用 FZ(Floating Zone,区熔)晶片代替外延晶片,所以不容易受到晶体缺陷的影响;另一方面由于实现低 通态电压需要提高输送效率,所以减小 N 基极层厚度(即芯片厚度)的技术也变得必不可少。富士电机开发了 晶片的超薄化技术,为特性改善做出了贡献。 为了更进一步改善特性,IGBT 的芯片厚度必须更薄,但是由于芯片的厚度很大程度上取决于 N 基极层的 厚度,如果进一步减小芯片厚度,就无法保证截止时承受的既定电压。FS(Field Stop,场终止)结构解决了 这一问题。FS 结构是指在 N 基极层设有高浓度 FS 层的构造。由于采用了这一构造,使得更大的特性改善成为 可能。 另外,富士电机也同时进行着 IGBT 特性改善所不可或缺的表面构造细微化研究。IGBT 是由多个被称为元 胞的基本单元构成的。IGBT 元胞数越多就越能实现低通态电压,因此表面构造也慢慢从在晶片表面制作 IGBT 元胞的构造(平面结构构造)向在 Si 表面开槽从而形成三维门极构造转变。 如上所述,富士电机 IGBT 通过在整体构造以及表面栅构造中使用各种技术实现了特性改善。


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