在安裝或更換IGBT模塊時,應十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻,好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇,當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導致IGBT模塊發(fā)熱,而發(fā)生故障。因此對散熱風扇應定期進行檢查,一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應器,當溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。
IGBT的應用領域
按電壓分布的應用領域
1、新能源汽車
IGBT模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關重要的作用,是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%,占充電樁成本約20%。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面:
A)電動控制系統(tǒng) 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅動汽車電機;
B)車載空調控制系統(tǒng) 小功率直流/交流(DC/AC)逆變,使用電流較小的IGBT和FRD;
C)充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用;
2、智能電網
IGBT廣泛應用于智能電網的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端:
從發(fā)電端來看,風力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。
從輸電端來看,特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件。
從變電端來看,IGBT是電力電子變壓器(PET)的關鍵器件。
從用電端來看,家用白電、 微波爐、 LED照明驅動等都對IGBT有大量的需求。
3、軌道交通
IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現代軌道交通的核心技術之一,在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關鍵部件,而IGBT又是牽引變流器核心的器件之一。
隨著IGBT芯片技術的不斷發(fā)展,芯片的高工作結溫與功率密度不斷提高, IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電互連 兩方面改進。模塊技術發(fā)展趨勢:無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術;內部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅動電路等功能元件,不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。
IGBT功率模塊
IGBT功率模塊采用IC驅動,各種驅動保護電路,IGBT芯片,新型封裝技術,從復合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展,其產品水平為1200—1800A/1800—3300V,IPM除用于變頻調速外,600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB,用于艦艇上的發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB,大大降低電路接線電感,進步系統(tǒng)效率,現已開發(fā)成功第二代IPEM,其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱門。
IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點;當前市場上銷售的多為此類模塊化產品,一般所說的IGBT也指IGBT模塊;隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進,此類產品在市場上將越來越多見;
IGBT是能源變換與傳輸的核心器件,俗稱電力電子裝置的“CPU”,作為國家戰(zhàn)略性新興產業(yè),在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。
IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP(原來為NPN)晶體管提供基極電流,使IGBT導通。反之,加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同,只需控制輸入極N-溝道MOSFET,所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后,從P+基極注入到N-層的空穴(少子),對N-層進行電導調制,減小N-層的電阻,使IGBT在高電壓時,也具有低的通態(tài)電壓。
上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和,漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。
IGBT的觸發(fā)和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓,柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時,基于以下的參數來進行:器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發(fā)射極阻抗大,故可使用MOSFET驅動技術進行觸發(fā),不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大,故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。
IGBT在關斷過程中,漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因為MOSFET關斷后,PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除,造成漏極電流較長的尾部時間,td(off)為關斷延遲時間,trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成,而漏極電流的關斷時間
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中:td(off)與trv之和又稱為存儲時間。
IGBT的開關速度低于MOSFET,但明顯GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間,但關斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3~4V,和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近,飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。
正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限,遠遠不能滿足電力電子應用技術發(fā)展的需求;高壓領域的許多應用中,要求器件的電壓等級達到10KV以上,目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件,德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用,日本東芝也已涉足該領域。與此同時,各大半導體生產廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術,主要采用1um以下制作工藝,研制開發(fā)取得一些新進展。2013年9月12日 我國的高壓大功率3300V/50A IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片及由此芯片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過,中國自此有了完全自主的IGBT“中國芯”。