《电力电子技术》课程第二章功率半导体器件的驱动和保护拓展-奥鹏教育.docVIP

浙大09春学期《电力电子技术》课程 第二章功率半导体器件的驱动和保护 拓展资源 本章拓展资源我们继续瞄准被业界广泛使用的IGBT，从发展历史，趋势，以及驱动和保护等方面 近年来,随着我国经济的持续快速发展,能源消耗日趋紧张,节约能源是我国的基本国策。据报道,全球的电能消耗50%来自电动机。当前,在电动机驱动系统中,已经从强电控制进入弱电控制的节能时代。新型电力电子器件在该系统中扮演着重要的角色,它是机械自动化、控制智能化的关键部件,是节约电能的新型半导体器件。因此,大力发展新型电力电子器件的设计制造以及模块的开发和应用是节约电能的重要措施。IGBT ( Insulate Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极晶体管作为新型电力电子器件的代表,是整机系统提高性能指标和节能指标的首选产品。它集高频率、高电压、大电流等优点于一身,是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品。IGBT主要用于逆变器、低噪音电源、UPS不间断电源以及电动机变频调速等领域。IGBT的用途非常广泛,小到变频空调、静音冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器,大到电力机车牵引系统都离不开它。IGBT在军事机载、舰载、雷达等随动系统中也有广泛的用途。目前,国内IGBT产品依赖进口。国外IGBT产品已大量生产,而国内IGBT还处于研制阶段。与国外相比, IGBT的制造工艺技术至少落后十年, IGBT的国产化形势相当紧迫。因此,开展IGBT的研发工作对我国国民经济和国防工业的发展具有十分重要的意义。 国际、国内现状 IGBT是上世纪80年代初研制成功,并在其性能上,经过几年的不断提高和改进,已成熟地应用于高频( 20KHz以上)大功率领域。它将MOSFET的电压控制、控制功率小、易于并联、开关速度高的特点和双极晶体管的电流密度大、电流处理能力强、饱和压降低的特点集中于一身,表现出高耐压、大电流、高频率等优越的综合性能。图1和图2分别是槽栅IGBT结构和单晶片透明集电极NPT - IGBT结构,两种都是当今世界上流行的先进结构。 IGBT的技术特点 目前,世界上最先进的IGBT结构及技术特点: NPT - IGBT和Trench - IGBT; 亚微米线条精度 大规模CMOS IC工艺; 薄单晶硅片技术; 背P+发射极技术; 分层辐照技术。 新结构高性能IGBT 1996年西门子公司(现Infineon公司)率先推出1200V的NPT(非穿通型) - IGBT后,于1999年推出600V /50A 的NPT - IGBT, 其通态压降为2. 1V 。关断时间为30ns,NPT - IGBT的出现是功率场控器件技术上的重大突破。1998 年日本公司推出600V Trench (沟槽栅) ——— IGBT,其典型通态压降1. 8V,关断时间0. 15μs。1998年由日本人提出SDB (硅片直接键合) ——— IGBT,随后美国飞兆半导体公司( Fairchild semiconductor)推出小功率SDB- IGBT 投放市场。1999 年IXYS 公司推出了1600V /40A CS (集电极短路) ——— IGBT,其关断时间小于200ns。近年来,美国飞兆半导体公司又推出1000V /60A NPT - Trench - IGBT, 其通态压降2. 5V,关断时间130ns,专为IH电饭煲、电磁炉、微波炉应用而设计,满足必威体育精装版的节能标准。快速IGBT已应用到了150KHz～180KHz的频率范围(如美国Intesil 公司的SMPS IGBT 系列和IR 公司的WARPZTM IGBT系列) 。IGBT模块的研究也很活跃, IGBT模块多以超大功率IGBT模块和IGBT -IPM智能功率模块为主。IGBT - IPM是以IGBT芯片为基体内含接口、传感、保护和功率控制等功能电路的智能功率模块。 　1993 年德国EUPEC公司推出3200V /1300A的IGBT模块,它是多个IGBT芯片串联加并联组成的。1996年日本东芝公司推出了2500V /1000A 的IGBT模块具有同大功率晶闸管、GTO管相同的平板压接式封装结构。该模块由24 个2500V /80A 的IGBT芯片并联而成,还有16 个2500V /100A 的超快恢复二极管( FRED)芯片与之反并联(续流二极管) 。此后,东芝公司又开发了1700V /1200A、工作频率40KHz,并具有驱动电路和过流、过载、短路、栅极欠压等保护电路的IGBT - IPM。近年来,国外又有2000V /600A 的IGBT - IPM已用于电力机车VVVF逆变器中。日本三菱公司开发第五代IGBT硅片技术,推出应用于变频空调、静音冰箱、洗衣机等家电中的IGBT - IPM,以