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一文读懂IGBT功率模块

芯长征科技  · 公众号  ·  · 2024-04-09 09:13

正文

定义:

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(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 。兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的。

分类:

IGBT模块主要分为五个模块,

单管模块的内部由若干个IGBT并联,以达到所需要的电流规格 ,可以视为大电流规格的IGBT单管。

半桥(Half bridge)模块也称为2 in 1模块,可直接构成半桥电路,也可以用2个半桥模块构成全桥,3个半桥模块也构成三相桥。因此,半桥模块有时候也称为桥臂(Phase-Leg)模块。

全桥(Full bridge)模块也称为4 in 1模块,用于直接构成全桥电路;也可以用模块中的2个半桥电路并联构成电流规格大2倍的半桥模块,即将分别将G1和G3、G2和G4、E1和E3、E2和E4、E1C2和E3短接。

三相桥模块也称为6 in 1模块,用于直接构成三相桥电路,也可以将模块中的3个半桥电路并联构成电流规格大3倍的半桥模块。三相桥常用的领域是变频器和三相UPS、三相逆变器 ,不同的应用对IGBT的要求有所不同,故制造商习惯上会推出以实际应用为产品名称的三相桥模块,

欧美厂商 一般将包含下图所示的7 in 1模块称为CBI模块(Converte r-Brake-Inverter Module,整流-刹车-逆变)模块,日系厂商则习惯称其为PIM模块。

工作原理:

IGBT有三个端子(集电极、发射极和栅极)都附有金属层。然而,栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合PNP和NPN晶体管来实现的,它们构成了PNPN排列。


当加在IGBT的栅极上的控制信号为高电平时,栅极与源极之间的耦合电容充电,导致栅极驱动电路通电。 这时,栅极电压高于临界电压,使得栅极P-N结反偏,进而阻断P型区中的电流流动。 此时,N型区的电子与P型区的空穴通过P-N结转移到P型区,使得整个芯片中断了。 这种工作状态称为关闭 状态。

当控制信号变为低电平时,栅极与源极之间的电容开始放电,导致栅极电压降低。 当栅极电压降低到临界电压以下时,栅极P-N结反向击穿,来自上方的N型电子开始向下注入P型区。 P型区中的电流开始流动,并扩散到N型区。 同时,从下方的N+区电子也开始向上注入P型区,形成电子空穴对,加快载流子的复合。 由于电流流动方向相同,并且P型区增多,电流放大效应逐渐体现。 这种工作状态称为导通状 态。

封装结构:

常见IGBT器件封装内部结构包括芯片、陶瓷覆铜板(DBC板)、散热底板、电极端子、键合线、硅凝胶、PCB、外壳等部分组成。IGBT器件封装内部结构示意图和实物图如下:

IGBT器件的工作电压为600~6500V,工作电流为50~3600A,根据不同的应用需求选用不同电压、电流的IGBT芯片及二极管芯片,根据电路拓扑设计相应的DBC板、外壳、电极端子。通过芯片焊接、键合、子单元焊接、外壳安装、硅凝胶灌封、电极折弯和测试等工序,实现 IGBT 器件的封装、测试,具体封装工艺流程如下图所示:

IBGT例行实验:

为了确保器件性能及可靠性,要对功率模块进行测试试验,包括:HTRB、静态测试、动态测试、平面度测试和绝缘局部放电测试等。主要的测试参数如下:

应用领域:

电动控制系统 大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机, 车载空调控制系统 小功率直流/交流(DC/AC)逆变 使用电流较小的IGBT和FRD 充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用等。








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