IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由 BJT(双极结型晶体三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征 。简单讲 , 是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能 , 导通时可以看做导线 , 断开时当做开路 。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点,如驱动功率小和饱和压降低等 。
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IGBT模块是由IGBT与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品,具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点 。
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IGBT是能源转换与传输的核心器件,是电力电子装置的“CPU”。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率和质量,具有高效节能和绿色环保的特点,是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术 。
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IGBT是以GTR为主导元件,MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件 。其外部有三个电极,分别为G-栅极,C-集电极,E-发射极 。
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在IGBT使用过程中,可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小,从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制 。
1)当IGBT栅-射极加上加0或负电压时,MOSFET内沟道消失,IGBT呈关断状态 。
2)当集-射极电压UCE<0时,J3的PN结处于反偏,IGBT呈反向阻断状态 。
3)当集-射极电压UCE>0时,分两种情况:
若栅-射极电压UGE<Uth,沟道不能形成,IGBT呈正向阻断状态 。
若栅-射极电压UGE>Uth,栅极沟道形成,IGBT呈导通状态(正常工作) 。此时,空穴从P+区注入到N基区进行电导调制,减少N基区电阻RN的值,使IGBT通态压降降低 。
IGBT各世代的技术差异
回顾功率器件过去几十年的发展,1950-60年代双极型器件SCR,GTR,GTO,该时段的产品通态电阻很?。坏缌骺刂?,控制电路复杂且功耗大;1970年代单极型器件VD-MOSFET 。但随着终端应用的需求,需要一种新功率器件能同时满足:驱动电路简单,以降低成本与开关功耗、通态压降较低,以减小器件自身的功耗 。1980年代初,试图把MOS与BJT技术集成起来的研究 , 导致了IGBT的发明 。
1985年前后美国GE成功试制工业样品(可惜后来放弃) 。自此以后 , IGBT主要经历了6代技术及工艺改进 。
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从结构上讲,IGBT主要有三个发展方向:
1)IGBT纵向结构:非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型;
2)IGBT栅极结构:平面栅机构、Trench沟槽型结构;
3)硅片加工工艺:外延生长技术、区熔硅单晶;
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其发展趋势是:①降低损耗 ②降低生产成本
总功耗= 通态损耗 (与饱和电压 VCEsat有关)+开关损耗 (Eoff Eon) 。同一代技术中通态损耗与开关损耗两者相互矛盾,互为消长 。
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IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类 。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主 , 中低压IGBT模块则出现了很多新技术,如烧结取代焊接,压力接触取代引线键合的压接式封装工艺 。
随着IGBT芯片技术的不断发展 , 芯片的最高工作结温与功率密度不断提高,IGBT模块技术也要与之相适应 。未来IGBT模块技术将围绕 芯片背面焊接固定 与 正面电极互连 两方面改进 。模块技术发展趋势:
- 无焊接、 无引线键合及无衬板/基板封装技术;
- 内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件,不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度 。
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IGBT的主要应用领域
作为新型功率半导体器件的主流器件 , IGBT已广泛应用于工业、 4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域 , 以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域 。
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