Руководство по применению IGBT и IPM. Руководство по применению биполярных транзисторов с изолированным затвором

• Название: Руководство по применению биполярных транзисторов с изолированным затвором
• Дата: 24.09.2022
• Размер: 1.65 Mb.
• Имя файла: Руководство по применению IGBT и IPM.doc
• Тип: Руководство; #693169
• страница: 4 из 9

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЕЙ IGBT

Модули IGBT Н-серий третьего поколения фирмы Митсубиси

сконструированы стойкими, имеющими низкие потери и легкими в при-

менении. Применение передовых технологий обработки дает IGBT

Н-серий малое напряжение насыщения при высокой скорости переклю-

чения, требующейся для работы на частоте 20 кГц. Представленная в

данном разделе информация поможет пользователям модулей IGBT

Н-серий применять данные устройства эффективно и надежно.

3.1. Структура и работа модуля IGBT

IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором - это

переключающий транзистор, который управляется напряжением, прик-

адываемым к затвору. Работа устройства и его структура подобны

работе и структуре полевых транзисторов с изолированным затвором,

более известным, как MOSFET (МОП - транзисторы). Принципиальное

различие между двумя типами устройств заключается в том, что IGBT

использует модуляцию проводимости для снижения потерь электропро-

водности в рабочем режиме. Краткое сравнение структур IGBT,

MOSFET и n-p-n биполярного транзистора (BJT) представлено на

рис. 3.1. n-p-n BJT - трехпереходное устройство, требующее про-

должительного протекания тока в области базы для подачи достаточ-

ных зарядов, позволяющих переходам проводить ток. Т.к. MOSFET и

IGBT являются устройствами, управляемыми напряжением, им требует-

ся только наличие напряжения на затворе для поддержания проводи-

мости через устройство. IGBT имеет на один p-n переход больше,

чем MOSFET, и это позволяет осуществить модуляцию проводимости,

как описано ниже. Однако, этот дополнительный p-n переход в IGBT

ограничивает частоту переключений.

- 55 -




Рис. 3.1. Внутренняя структура трех основных

полупроводниковых устройств

1 - n-p-n силовой биполярный;

2 - n-канальный силовой MOSFET4

3 - n-канальный силовой IGBT;

4 - малое падение напряжения в открытом состоянии;

5 - устройство управления током, большая мощность управле-

ния;

6 - средняя скорость переключений;

7 - большое падение напряжения в открытом состоянии для

основных носителей;

8 - управление напряжением, малая мощность управления;

9 - очень быстрое переключение;

10 - среднее падение напряжения в открытом состоянии;

11 - управление напряжением, малая мощность управления;

12 - быстрое переключение;

13 - преимущество;

14 - недостаток.

- 56 -

3.1.1. Силиконовая структура

Силиконовая структура IGBT показана на рисунке 3.2. Положи-

тельное напряжение на затворе притягивает электроны из “р” облас-

ти затвора по направлению к силиконовой поверхности под затвором.

эти электроны преобразуют “р” область непосредственно под затво-

ром в “п” область, создавая путь для протекания заряда между “п”

областью коллектора и “п” областью эмиттера. Нулевое или отрица-

тельное напряжение (в зависимости от устройства) на затворе соз-

дается выключающим смещением.



Рис. 3.2. Разрез IGBT и силиконовая структура

1 - дырки

2 - электроны

3.1.2. Работа устройства

Когда устройство включено, коллектор находится под более вы-

соким напряжением чем эмиттер и, следовательно, неосновные носи-

тели инжектируются из р+ области коллектора в область объема бу-

фера коллектора (п+ буферный слой и “п” область коллектора). Под-

вижные “n” и “p” заряды снижают сопротивление области объема бу-

фера коллектора и поэтому падение напряжения коллектор - эмиттер

снижается (относительно V_DS(on) MOSFET, где имеются только “п”

носители).

При первой подаче положительного напряжения на затвор ток

затвора протекает до тех пор, пока не зарядится емкость затвора и

напряжение затвора поднимется до уровня “включение”. При снятии

- 57 -

напряжения с затвора заряды, инжектированные в область буфера

коллектора должны быть устранены до того, как высокое напряжение

может быть снято.

Поверхность эмиттера IGBT состоит из совокупности полос в

противоположность ячеисто-базовой геометрии полевого транзистора.

IGBT использует те же преимущества малых устройств что и MOSFET,

но полосовая геометрия дает большую механическую прочность и ус-

тойчивость к запиранию паразитного тиристора, показанного на ри-

сунке 3.3а. Модель типичного IGBT показана на рисунке 3.3b. В

IGBT Н-серий применены оптимизированные буферный слой, р± хорошее

легирование и выравнивание, конструкция затвора и конструкция по-

верхностной кристаллической решетки. Технология управления време-

нем жизни неосновных носителей позволяет снизить коэффициент уси-

ения “р-п-р” биполярного элемента и свести до минимума побочное

значение R_BE, т.о. предотвращая самопроизвольное запирание. Сле-

довательно, эквивалентная схема IGBT Н-серий сводится к схеме,

приведенной на рис.3.3b.




Рис. 3.3а. Модель обычного типа

- 58 -



Рис. 3.3b. Модель усиленного IGBT Н-серий

3.1.3. Обработка плат

Силиконовый материал является двойной эпитаксиальной струк-

турой, и области затвора и эмиттера являются диффузными и/или

ионноимплантируемыми в эмиттер. При обработке области эмиттера

применяются выборочное легирование, электронное облучение и дру-

гие технологические методы обработки.




Рис.3.4. Чипы IGBT

При производстве IGBT применяются многие технологические ме-

тоды обработки, аналогичные технологии изготовления FET устройств

- 59 -

(полевых транзисторов). Высокая стойкость к пробою вследствие

быстрого нарастания тока di/dt и напряжения dv/dt полевых тран-

зисторов FET происходит в результате управления неосновными носи-

телями вблизи “р” области и границы “п-” области коллектора. Та-

кая технология плюс дополнительные шаги по управлению продолжи-

тельностью жизни носителей носителей вблизи “п+” буферной области

коллектора помогают выработать устойчивость к запиранию и повы-

сить механическую прочность при переключениях IGBT Н-серий.

Сверхчистое оборудование и последовательные проверки плат

способствуют согласованной обработке, т.о. обеспечивая наивысшее

качество и надежность чипов.

3.1.4. Компоновка модулей

Конструкция и расположение

Модули IGBT состоят из нескольких чипов, смонтированных на

изолированной подложке, которая, в свою очередь, смонтирована на

теплоотводящей медной пластине.

модули IGBT Н-серий используют базовую пластину с изолирую-

щей подложкой, непосредственно связанной медной пайкой с базовой

пластиной (рисунок 3.6.). Этот метод монтажа позволяет осущест-

влять высокоавтоматизированную сборку модулей при минимальном

тепловом импедансе. IGBT модули Н-серий используют материалы с

близкими тепловыми коэффициентами расширения, так что тепловая

нагрузка невелика. Поэтому можно ожидать, что IGBT модули Н-серий

обеспечат большую продолжительность жизни при периодических изме-

нениях температуры, чем существующие транзисторные модули.

Рекуперационные диоды также монтируются в модуле для облег-

чения сборки системы и сведения до минимума индуктивности выво-

дов, как внутри, так и снаружи модуля. Соединения внутри модуля

выполняются с применением массивных шин для облегчения сборки.

Шины также позволяют симметричное размещение внутренних компонен-

тов так, что паразитная индуктивность снижается и механическая

прочность модуля повышается. Пример компоновки модуля показан на

рисунке 3.5.

- 60 -



Рис. 3.5. Конструкция модуля IGBT Н-серий

1 - общий

2 - эмиттер

3 - коллектор

4 - затвор и эмиттер

5 - корпус (эпоксидная смола)

6 - эпоксидная смола

7 - силиконовый гель

8 - алюминиевый провод

9 - силиконовый чип

10 - новое изолирующее основание

11 - основание (ALN изолятор)

Рис.3.6. Конструкция основания силового модуля

1 - IGBT, чип рекуперационного диода

2 - медь

3 - новая изолирующая пластина

4 - база

5 - изоляционный материал

6 - медный вывод

7 - полупроводниковый чип

8 - пластина коллектора

9 - изоляционная пластина

10 - силовой модуль обычного типа

- 61 -

3.2. Номинальные значения параметров и характеристик IGBT модулей

3.2.1. Максимальные регламентированные значения

Регламентированные величины, как показано ниже, наиболее

важны для работы IGBT и окружающей среды. Максимальное регламен-

тированное значение - это величина, которая определяется либо са-

мим устройством, либо условиями эксплуатации (максимальными или

минимальными) для электронного устройства. Оно определяется для

установленного значения условий окружающей среды и рабочего режи-

ма. Нельзя использовать IGBT модуль за пределами его максимальных

или минимальных регламентированных значений.

+————————————————————————————————————————————————————————————————+

¦Обозначение¦ Параметр ¦ Определение ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ V_CES ¦Напряжение кол-¦Макс. допустимое напряжение кол-¦

¦ ¦лектор-эмиттер в¦лектор-эмиттер в выключенном сос-¦

¦ ¦выключенном сос-¦тоянии при закороченном с эмитте-¦

¦ ¦тоянии ¦ром затворе ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ VGES ¦Напряжение зат-¦Макс. допустимое напряжение зат-¦

¦ ¦вор-эмиттер ¦вор-эмиттер при закороченном с¦

¦ ¦ ¦эмиттером коллекторе ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ I_С ¦Ток коллектора ¦Макс. постоянный ток ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ I_CM ¦Амплитудное зна-¦Макс. допустимая амплитуда тока¦

¦ ¦чение тока кол-¦коллектора (T_j <=150°C) ¦

¦ ¦лектора ¦ ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ I_E ¦Ток рекуперацион-¦Макс. допустимый постоянный ток¦

¦ ¦ного диода ¦рекуперационного диода ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

- 62 -

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ I_EM ¦Амплитудное зна-¦Макс. допустимая амплитуда тока¦

¦ ¦чение тока реку-¦рекуперационного диода (Tj<=150 C)¦

¦ ¦перационного дио-¦ ¦

¦ ¦да ¦ ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ P_C ¦Рассеяние на кол-¦Макс. допустимое рассеяние мощнос-¦

¦ ¦лекторе ¦ти на каждое переключение IGBT при¦

¦ ¦ ¦T = 25 C ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ T_j ¦Температура пере-¦Диапазон допустимых температур р-п¦

¦ ¦хода ¦перехода IGBT во время работы ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ T_Stg ¦Температура хра-¦Диапазон допустимых температур ок-¦

¦ ¦нения ¦ружающей среды без приложения к¦

¦ ¦ ¦модулю напряжения или протекания¦

¦ ¦ ¦тока ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ V_ISO ¦Пробивное напря-¦Макс. напряжение (переменный ток,¦

¦ ¦жение ¦f= 60 Гц, 1 мин.) между основанием¦

¦ ¦ ¦и выводами модуля (все силовые и¦

¦ ¦ ¦сигнальные выводы закорочены сна-¦

¦ ¦ ¦ружи модуля ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ - ¦Монтажное усилие ¦Макс. допустимое монтажное закру-¦

¦ ¦ ¦чивающее усилие для выводов и мон-¦

¦ ¦ ¦тажных винтов ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

- 63 -

3.2.2. Электрические характеристики

+————————————————————————————————————————————————————————————————+

¦Обозначение¦ Параметр ¦ Определение ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ I_CES ¦Ток утечки кол-¦I_C при V_CE =V_CES и закороченных вы-¦

¦ ¦лектор-эмиттер ¦водах затвор-эмиттер ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ V_GE(th) ¦Пороговое напря-¦Напряжение затвор-эмиттер при¦

¦ ¦жение зат-¦I_C =10-4 * (номинальное значение¦

¦ ¦вор-эмиттер ¦тока коллектора) и напряжении¦

¦ ¦ ¦V_CE=10 В ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ I_GES ¦Ток утечки зат-¦I_G при V_GE = V_GES и закороченных вы-¦

¦ ¦вор-эмиттер ¦водах коллектор-эмиттер ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ V_CE(sat) ¦Напряжение насы-¦Напряжение IGBT во включенном сос-¦

¦ ¦щения коллек-¦тоянии при регламентированном токе¦

¦ ¦тор-эмиттер ¦коллектора и установленных услови-¦

¦ ¦ ¦ях (см. рис. 3.7.) ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ C_ies ¦Входная емкость ¦Емкость затвор-эмиттер при закоро-¦

¦ ¦ ¦ченных выводах коллектора и эмит-¦

¦ ¦ ¦тера ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ C_oes ¦Выходная емкость ¦Емкость коллектор-эмиттер при за-¦

¦ ¦ ¦короченных выводах затвора и эмит-¦

¦ ¦ ¦тера ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ C_res ¦Емкость обратной¦Емкость затвор-коллектор ¦

¦ ¦связи ¦ ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ Q_G ¦Общий заряд зат-¦Заряд на затворе при V_CC =0,5 или¦

¦ ¦вора ¦0,6 V_CES,регламентированное значе-¦

¦ ¦ ¦ние тока I_C; V_GE=15 В ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

- 64 -

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ t_d(on) ¦Время задержки¦резистивная нагрузка ¦

¦ ¦включения ¦ ¦

+———————————+—————————————————¦ ¦

¦ t_r ¦Время нарастания¦время переключений ¦

¦ ¦при включении ¦ ¦

+———————————+—————————————————¦ ¦

¦ t_d(off) ¦Время задержки¦при регламентированных условиях¦

¦ ¦выключения ¦(см. рис. 3.9.) ¦

+———————————+—————————————————¦ ¦

¦ t_f ¦Время спада при¦ ¦

¦ ¦включении ¦ ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ V_EC ¦Прямое напряжение¦Прямое напряжение рекуперационного¦

¦ ¦рекуперационного ¦диода при регламентированном токе¦

¦ ¦диода ¦и стандартизованных условиях (см.¦

¦ ¦ ¦рис. 3.8.) ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ t_rr ¦Время восстанов-¦Время обратного восстановления FWD¦

¦ ¦ления рекупераци-¦при переключениях индуктивной наг-¦

¦ ¦онного диода ¦рузки (см. рис.3.10.) ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ Q_rr ¦Заряд обратного¦Заряд обратного восстановления FWD¦

¦ ¦восстановления ¦при регламентированном токе и¦

¦ ¦рекуперационного ¦di/dt=-I_EM-мкс ¦

¦ ¦диода ¦ ¦

+————————————————————————————————————————————————————————————————+

- 65 -

3.2.3. Тепловое сопротивление

+————————————————————————————————————————————————————————————————+

¦Обозначение¦ Параметр ¦ Определение ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ R_th(j-c) ¦Тепловое сопро-¦Макс. значение теплового сопротив-¦

¦ ¦тивление “р-п пе-¦ления между р-п переходом и корпу-¦

¦ ¦реход - корпус” ¦сом на каждое переключение ¦

+———————————+—————————————————+——————————————————————————————————¦

¦ R_th(c-f) ¦Контактное тепло-¦Макс. значение теплового сопротив-¦

¦ ¦вое сопротивление¦ления между корпусом и пластиной¦

¦ ¦ ¦на каждое переключение (пара IGBT¦

¦ ¦ ¦- FWD) при тепловой смазке, приме-¦

¦ ¦ ¦ненной в соответствии с рекоменда-¦

¦ ¦ ¦циями по монтажу ¦

+————————————————————————————————————————————————————————————————+

3.2.4. Схемы и условия проверки

Для оценки характеристик IGBT применяются следующие схемы

проверки.

При измерениях температуры р-п перехода T_j, измерения напря-

жений V_CE(sat) и V_CE должны проводится кратковременно и с большой

скважностью.

Рис. 3.7. Проверка напряжения V_CE(sat) IGBT


Рис. 3.8. Проверка напряжения V_CE диода

- 66 -


Рис. 3.9. Проверка параметров переключений

при резистивной нагрузке



Рис. 3.10. Осциллограмма тока при восстановлении диода