摘要：電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、晶體管(BJT)、絕緣柵晶體管(IGBT)等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅(qū)動、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT模塊散熱器具有高可靠性、驅(qū)動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關(guān)頻率高等特點，為了達到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術(shù)，如外延技術(shù)、離子注入、精細光刻等。要提高功率MOSFET的耐壓能力，勢必增加高導(dǎo)通電阻，從而妨礙器件在高電壓、大電流范圍的應(yīng)用。針對這些缺陷，20世紀80年代誕生了功率IGBT(絕緣柵雙極晶體管)器件，20世紀90年代初進入實用化。近幾年來，功率IGBT模塊散熱器的性能提高很快，額定電流已達數(shù)百安培，耐壓達1500V以上，而且還在不斷提高。由于IGBT器件具有PIN二極管的正向特性，P溝功率IGBT模塊散熱器的特性不比N溝IGBT差多少，這非常有利于在應(yīng)用中采取互補結(jié)構(gòu)，從而擴大其在交流和數(shù)字控制技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
目前，應(yīng)用在中壓大功率領(lǐng)域的電力電子器件，已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互競爭不斷創(chuàng)新的技術(shù)市場，在大功率(1MW)，低頻率(1kHz)的傳動領(lǐng)域，如電力牽引機車領(lǐng)域GTO、IGCT有著*的優(yōu)勢，而在高載波頻率、高斬波頻率下,IGBT、IEGT有著廣闊的發(fā)展前景，在現(xiàn)階段中壓大功率變頻領(lǐng)域?qū)⒂蛇@4種電力電子器件構(gòu)成其主流器件。
IGBTzui大的優(yōu)點是無論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問題，由于本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊散熱器在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機理是陰極引線焊點開路和焊點較低的疲勞強度，另外,絕緣材料的缺陷也是一個問題。
10年前，IGBT模塊散熱器出現(xiàn)在舞臺的時候，盡管它凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術(shù)和大規(guī)模集成電路微細加工手段二者的精華，表現(xiàn)出很好的綜合性能，許多人仍難以相信這種器件在大功率領(lǐng)域中的生命力?，F(xiàn)在，跨世紀的IGBT顯示了巨大的進展，形成了一個新的器件應(yīng)用平臺。
1.
智能MOS柵IGBT模塊散熱器化
由于IGBT高頻性能的改進，可將驅(qū)動電路、保護電路和故障診斷電路集成在一起，制成智能功率模塊，一般情況下采用電壓觸發(fā)。
通過采用大規(guī)模集成電路的精細制作工藝并對器件的少數(shù)載流子壽命進行控制，新一代功率IGBT模塊散熱器芯片已問世。第三代IGBT與*代產(chǎn)品相比，在斷態(tài)下降時間及飽和電壓特性上均有較大的提高。
IGBT是雙極型晶體管(BJT)和MOSFET的復(fù)合器件，其將BJT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引入到VDMOS的高阻漂移區(qū)，大大改善了器件的導(dǎo)通性，同時它還具有MOSFET的柵*輸入阻抗，為電壓驅(qū)動器件。開通和關(guān)斷時均具有較寬的安全工作區(qū)，IGBT模塊散熱器所能應(yīng)用的范圍基本上替代了傳統(tǒng)的晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、晶體管(BJT)等器件。
1.1IGBT—PIM
IGBT模塊散熱器的模塊內(nèi)置整流模塊電路、逆變主回路和再生回路，以降低損耗和降低成本，這種新型模塊稱為功率集成模塊，簡稱PIM(PowerIntegratedModule)。IGBT模塊是一種高速開關(guān)，第四代IGBT在開發(fā)中主要采取如下幾項新技術(shù)。
(1)FWD(FreeWheelingDiode)技術(shù)
在模塊中選用降低正向電壓(VF)的二極管器件，據(jù)測試在600V和1200V系列中，逆變器載波頻率為10kHz時產(chǎn)生的損耗與舊系列相比降低20%。
(2)蝕刻模塊單元的微細化技術(shù)
由于控制極的寬度(LH)已達到*化設(shè)計，故集電—射極之間的飽和電壓VCE(SAT)可降低0.5V，使開關(guān)損耗降低。
(3)NPT(NonPunchThrough)技術(shù)
使載流子壽命得到控制，從而減少開關(guān)損耗對溫度的依存性。這樣，可減少長期使用過程中的開關(guān)損耗。
對于IGBT模塊散熱器這類高速開關(guān)的要求無非是高速性和柔性恢復(fù)性。對于正向電壓VF和恢復(fù)損耗Err二者相比，在設(shè)計時寧可選擇較高的VF值。但當選用高VF值在變頻器低頻工作時，將會使FWD的導(dǎo)通時間加長并使平均損耗增加，也使變頻器在低速高力矩時溫升提高。為此第四代IGBT模塊散熱器特別注意到設(shè)計*的電極構(gòu)造，從而改善了VF、Err關(guān)系，使FWD的VF降低0.4V～0.5V，總損耗減少20%。
1.2P系列NPT—IGBT模塊的特點
FUJIP系列IGBT采用NPT工藝制造，比PT(PunchThrough)IGBT有更多的*性，特別適用于變頻器、交流伺服系統(tǒng)、UPS、電焊電源等領(lǐng)域，其顯著特點如下：
(1)電流額定值是在Tc=800℃時標出的。
(2)P系列IGBT的VCE(SAT)與溫度成正比，易于并聯(lián)。
(3)開關(guān)損耗的溫度系數(shù)比PT-IGBT小，當結(jié)溫升高時，其開關(guān)損耗比PT-IGBT增加的少，因此P系列模塊更適合高頻應(yīng)用。
(4)1400V系列模塊可用于AC380V至575V的功率變換設(shè)備中。
(5)P系列中，尤其是1400V模塊比PT-IGBT有更大的安全工作區(qū)，反偏安全工作區(qū)(RBSOA)和短路安全工作區(qū)(SCSOA)都為矩形。其RBSOA可達額定電流的兩倍，SCSOA可達額定電流的十倍。因此，吸收電路可大大地簡化，同時，短路承受能力也大大提高。
(6)低損耗、軟開關(guān)，它的dv/dt只有普通模塊的1/2，大大降低了EMI噪聲。
目前，IGBT已發(fā)展到第四代;西門子/EUPEC已可提供電流從10A～2.4kA，電壓范圍為600V～3.3kV的IGBT模塊，以1.2kA/3.3kVIGBT為例，其柵極發(fā)射極電壓僅為15V，觸發(fā)功率低、關(guān)斷損耗小、di/dt.du/dt都得到有效的控制。
當前高壓IGBT模塊散熱器的研制和應(yīng)用水平為：600A～800A/6.5kV，工作頻率為18kHz～20kHZ，在工藝上，高壓IGBT開發(fā)主要采取以下措施:一是采用溝槽結(jié)構(gòu)，挖掉了位于柵極下方、夾在P型基區(qū)中間的結(jié)型場效應(yīng)晶體管的電阻，改善了減小通態(tài)壓降和提高頻率特性之間的矛盾;二是采用非穿通(NPT)結(jié)構(gòu)取代穿通(PT)結(jié)構(gòu)，因為NPT結(jié)構(gòu)的IGBT芯片具有正電阻溫度系數(shù)、易于并聯(lián)，這是IGBT模塊散熱器大功率化的必由之路;三是高壓IGBT作為高頻器件，電磁兼容問題值得重視，采用電感封裝技術(shù)可確保系統(tǒng)長期可靠的運行，大容量高壓IGBT模塊散熱器適合采用平板式封裝結(jié)構(gòu)。
