详解IGBT系统[图文]

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三种IGBT驱动电路和保护方法详解

三种IGBT驱动电路和保护方法详解本文着重介绍三个IGBT驱动电路。

驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，对IGBT驱动电路的基本要求如下：（1）提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。

（2）提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通。

（3）尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。

（4）足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

（5）具有灵敏的过流保护能力。

驱动电路EXB841/840EXB841 工作原理如图1，当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT 正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由于VS1稳压值是13V，所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V，二极管VD截止，不影响V4和V5正常工作。

当 14脚和15脚无电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5导通，IGBT 栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V，是 IGBT栅一射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6“悬空”。

C2的放电使得B点电位为0V，则V S1仍然不导通，后续电路不动作，IGBT正常关断。

如有过流发生，IGBT的V CE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低，完成慢关断，实现对IGBT 的保护。

由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE 有关，还和二极管VD2的导通电压Vd有关。

典型接线方法如图2，使用时注意如下几点：a、IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长（一般应该小于1m），并且应该采用双绞线接法，防止干扰。

b、由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。

车规级IGBT简介

3
定制化服务
针对不同车型和不同能源系统的需求，提供定制化的车规级IGBT解决方案将成为行业的重要发展方向。
05
车规级IGBT的挑战与解决方案
技术挑战
01
02
03
高可靠性要求
车规级IGBT需要在高温、高湿、高震动的环境下长时间稳定工作，对可靠性和稳定性要求极高。
快速开关响应
车规级IGBT需要具备快速的开关响应速度，以满足车辆控制系统对动力和制动性能的需求。
车规级IGBT简介
汇报人： 2024-01-04
目录
• IGBT的基本介绍 • 车规级IGBT的特点 • 车规级IGBT的应用 • 车规级IGBT的市场前景 • 车规级IGBT的挑战与解决方
案
01
IGBT的基本介绍
IGBT的定义
IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种复合晶体管，由金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）和双极晶体管（BJT）组合而成。
IGBT的优点
01
02
03
04
高速开关能力
IGBT具有快速的开关速度，能够实现高频率的开关转换。
低通态压降
在导通状态下，IGBT的通态压降较低，能够降低能源损耗
。
耐高温性能
IGBT能够在高温环境下稳定工作，适用于高温环境下的应
用。
可靠性高
IGBT的结构简单，可靠性高，寿命长。
02
车规级IGBT的特点
优化设计
通过优化设计和制程工艺，提高车规级IGBT的开关响应速度和效率。
降低成本
通过优化供应链管理和规模化生产，降低车规级IGBT的材料成本和研发成本。
THANKS
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IGBT驱动电路原理与保护电路

IGBT驱动电路原理与保护电路IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）驱动电路主要由三部分组成：信号隔离部分、驱动信号放大部分和保护电路。

信号隔离部分是将输入信号与输出信号进行隔离，防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生影响。

常用的信号隔离方法有变压器隔离、光电隔离和互感器隔离等。

其中，光电隔离是最常用的方法之一，它通过输入端的光电耦合器将电信号转换成光信号，通过光电隔离再将光信号转换为电信号输出。

这样可以有效防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

驱动信号放大部分是将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制IGBT的导通和关断。

驱动信号放大部分一般采用功放电路，常用的放大器有晶体管放大器和运放放大器。

通过合理选择放大器的工作点和增益，可以将输入信号进行适当放大，提高系统的灵敏度和响应速度，以确保IGBT的正常工作。

保护电路是为了保护IGBT免受电路中的过电流、过电压等异常情况的损害而设计的。

保护电路一般包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等功能。

过流保护通过在电路中增加电流传感器来检测电流的变化，一旦电流超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。

过压保护通过在电路中增加电压传感器来检测电压的变化，一旦电压超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。

过温保护通过在IGBT芯片上增加温度传感器来检测芯片温度的变化，一旦温度超过设定值就会触发保护，例如通过减小驱动信号的幅度来降低功耗和温度。

短路保护通过在电路中增加短路检测电路，一旦检测到短路就会触发保护，例如通过立即切断电源来防止IGBT损坏。

总之，IGBT驱动电路的原理是通过信号隔离部分将输入信号与输出信号进行隔离，通过驱动信号放大部分将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制其导通和关断。

同时，通过保护电路对IGBT进行多重防护，保证其在电路异常情况下的正常工作，提高系统的可靠性和稳定性。

还搞不懂IGBT？一文详细解读IGBT结构和工作原理，几分钟搞定IGBT

还搞不懂IGBT？一文详细解读IGBT结构和工作原理，几分钟搞定IGBT大家好，我是李工，希望大家多多支持我。

（愉快的周末过去了）看到有人给我留言，说希望讲一下IGBT（绝缘栅双极型晶体管)，今天就讲一下IGBT，那位留言的朋友记得按时来看。

在实际应用中最流行和最常见的电子元器件是双极结型晶体管BJT 和 MOS管。

在之前的文章中我已经对BJT的工作原理和MOS管的工作原理以及结构应用有进行详细地说明，如果忘记了可以点击标题直接跳转。

mos管工作原理详解BJT工作原理详解IGBT实物图+电路符号图虽然说BJT 和MOS 管是最流行和最常见的元器件，但是在非常高电流的应用中有限制，这个时候 IGBT 就派上用场了。

你可以把 IGBT 看作 BJT 和 MOS 管的融合体，IGBT具有 BJT 的输入特性和 MOS 管的输出特性。

与BJT 或MOS管相比，绝缘栅双极型晶体管IGBT 的优势在于它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的 MOS 管输入损耗。

这篇文章将较为详细地讲解IGBT 内部构造，工作原理等基础知识。

希望能够让大家更了解 IGBT，也请大家多多指教。

什么是IGBT？IGBT 是绝缘栅双极晶体管的简称，是一种三端半导体开关器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关。

IGBT 主要用于放大器，用于通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

就像我上面说的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合，IGBT 的符号也代表相同。

你可以看到输入侧代表具有栅极端子的MOS管，输出侧代表具有集电极和发射极的 BJT。

集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。

IGBT的电路符号与等效电路图IGBT内部结构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。

02.02-车用IGBT器件技术概述

双极结型晶体管金属-氧化物-半导体场效应晶体管绝缘栅双极晶体管
BJT
MOSFET
IGBT
2020-11-20
4
1.2 IGBT的应用
IGBT因大容量(>MW)、高开关速度(~100kHz)等优势，一经问世，便在白色家电、新能源、工业变频、轨道交通、电网等领域得到广泛的应用。
功率/W
100M
Si GTO
- AEC Q101，The Automotive Electronics Council，Q101为汽车级半导体分立器件应力测试，主要对汽车分立器件、元器件标准规范要求，其中规定了性能参数、可靠性及机械的各种测试及评估。---车规分立器件评估
- AQG324：由ECPE（ European Center for Power Electronics）"汽车电力电子模块认证"工作组颁布，其制定了完善的车规级功率模块可靠性试验，可以有效验证产品可靠性，指导厂商更深入了解其产品可靠性能，从而加快产品开发速度，优化工艺流程。---车规功率模块评估
2020-11-20
17
3.2 加速模型
实际应用中，器件的寿命需求为几年到几十年，因此需要在较高的应力和较短的测试时间内完成评估，即进行加速测试。
根据测试目的不同，采用不同的加速模型，所有的器件需要进行工作点测试（Stress），即设置测试工作点比实际应用工作点（OP）高。常见的有：
- Arrheninus Model（阿氏加速模型）：
Note: 1）芯片面积越大，热阻越小； 2）热阻并非恒定值，受脉宽、占空比等影响； 3）对于新能源汽车直接冷却，热阻受冷却液流速的影响；
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IGBT电压电流

图3电控系统原理图图1 HEV的电气系统图图2增程式电动车动力系统结构发动机和发电机组成APU 系统则为整车提供动力电池之外的能量需求。

动力电池:是电动汽车唯一的能量来源，同时也为电动汽车上其它电力装置提供电能。

驱动电机通过主减速器直接驱动车轮。

纯电动车的动力系统主要包括动力电池、驱动电机以及传动系统。

以HEV为例，IGBT主要应用于以下两个子系统中：1) 电动控制系统：大功率直/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机;2) 车载空调控制系统：小功率直/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小IGBT和FRD。

工作频率，脉宽，占空比，直流母线电压，关断时峰值电压达到，导通电流为１００Ａ，达到可重复关断峰值电流即额定直流工作电流的２倍，工作时间为２ｓ，连续导通２０００个脉冲，工作一次后间歇２ｍｉｎ当IGBT关断时，(ASC1, RC1and ASC2, RC2) 用于限制测量电压通入100mA的测试电流(AS1, RTJ1and AS2, RTJ2)用于非直接结温测量电压电流转换器(线路放大器OA1, ASLA1, RLA1, and OA2, ASLA2, RLA2).图6.两桥壁逆变器的位置.图7.集射极电压测试电路图输入端是手动可调电压源，载荷电流由MOSFET 1控制.实验装置及步骤：1）测试时IGBT 栅极端子施加正向偏压（+15V ），使得IGBT开通。

2）利用labview程序控制程控电流源，使其按照规定的开通/关断时间对IGBT施加载荷电流。

3）风扇一直处于稳定的开通状态，能够以不变的流速将模块的热量带走。

4）利用labview程序控制数据采集器采集集-射极的电压和壳温，并将数据以存储成excel表格形式。

5）利用labview程序控制控制红外热像仪的开通实时监测表面框选区域的金属层的温度变化。

6）将所得的数据进行汇总，统计出开关时间与芯片表面最高温度计平均温度的关系。

加载电流85A ，初始条件为125T j =∆℃（25-150℃），加载时间为常数sec m 1787t on =，sec m 1815t off =，3100循环后，最大结温超多240℃，能量消耗比初始值增加123%。

车规级IGBT简介演示

车规级IGBT简介演示
汇报人： 2024-01-08
目录
• IGBT简介 • 车规级IGBT的特点与优势 • 车规级IGBT的应用实例 • 车规级IGBT的未来发展 • 结论
01
IGBT简介
IGBT定义
01
IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称，是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
02
它结合了晶体管和绝缘栅场效应管的优点，具有高输入阻抗、低导通压降、低开关损耗等特点。
在电机控制中，IGBT可以控制电机的启动、停止和速度调节；在充电系统中，IGBT可以实现高效的充电和放电；在发动机控制中，IGBT可以精确控制燃油喷射和点火时间。
02
车规级IGBT的特点与优势
车规级IGBT的特点与优势
• 车规级IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种广泛应用于汽车领域的电力电子器件。它具有高效能、高可靠性、耐高温和长寿命等特点，是新能源汽车和传统汽车中极为关键的元件之一。
IGBT工作原理
IGBT在工作时，通过控制输入端晶体管的栅极电压来控制输出端晶体管的通断，从而实现电压和电流的调节。
当输入端晶体管的栅极电压为高电平时，输出端晶体管导通，电流从源极流向漏极；当栅极电压为低电平时，输出端晶体管截止，电流截止。
IGBT在汽车中的应用
在汽车中，IGBT主要用于电机控制、充电系统、发动机控制等领域。
04
车规级IGBT的未来发展
车规级IGBT的未来发展
• 车规级IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种广泛应用于汽车电子系统的功率半导体器件。它能够实现高效率、高功率密度的电能转换，是新能源汽车、电机驱动、充电设施等领域的核心元件。本演示文稿将简要介绍车规级IGBT 的基本原理、应用场景、技术发展趋势以及市场前景。

IGBT图解

Lecture 7:IGBT ΙOh, Kwang-Hoon, Ph. D.okhoon@Contents •Introduction •IGBT vs MOSFET•IGBT Structure •IGBT Characteristics -Forward Blocking -Forward Conduction -IGBT Operation -Latch-Up-Latch-Up suppression -Switching Characteristics•Lifetime Control•High Temperature Characteristics •Short Circuit Ruggedness •SOA•NPT IGBTs?•IGBT Design/ Process目录简介ＩＧＢＴ结构ＩＧＢＴ特性正向阻断正向导通What is IGBT?•IGBT: I nsulated G ate B ipolar T ransistor (BJT + MOSFET)Equivalent circuit symbolIGBTLow <12kHz Medium <40kHz High<150kHzDifference IGBT vs. MOSFET:•smaller chip size -> lower price•softer switching, lower EMI•temperature stable –no significant losses increase@ increasing Ta / Tj•not suitable for ultrahigh frequencies•The IGBT is basically the preferred device for higher currents at limited pulse frequencies.•IGBT: I nsulated G ate B ipolar T ransistorÎBasically, pnpn device with a gate controlN+PgateemitterJ2J3Unit cellmultiple array of unit cellsemitterActual chipCross sectional view•Planar IGBT vs Trench IGBT:depending on the top structuren+n-P -basen+emitter n+n-P -base n+emitter<350u mgate•PT(punch-through) IGBT vs NPT (Non-PT) IGBT:6”100µm wafern-P -basen+emittergaten+PTn-P -basen+emitterNPTEIGBT Transfer Characteristics •Depending on Bias Conditions1.Reverse Blocking Mode:Vce-Negative, Vge-ShortJ1, reverse biased. Depletion layer extends into N-Rule of thumb:T N-= (2εV max/qN D)1/2+L2. Forward Blocking Mode:Vce-Positive, Vge-ShortJ2, reverse biased. Depletion layer extends into both N-layer/P-baseP-base should NOT punch-through to N+ emitter during this mode3. Forward Conduction Mode:Vce>0,7V, Vge> VthIc•Forward BlockingSince the depletion layer extends into both N-/ P-base region, the channel punch through should be avoided (Lch ~ 1um is hard to achieve for high voltage devices)Îhigh base doping results in high Vth (not feasible)2.52.01.51.0Base surface concentration1017cm -31018cm -3d e p l e t i o n w i d t h (µm )•With Buffer Layer (Punch-Through Type)By employing a N+ layer (buffer layer) onto the P+ substrate (collector), the thickness of the N-layer can be reducedIn this case, the doping (N-drift layer) with the buffer should be lower than the doping without the bufferN+ P gateemitterN+PN-emitterN+Ec•Field Crowding at Cylindrical or Spherical junction edgeN+P•Width of the field limiting ring should be comparable to the depletion layer width ( no BV improvement with the wider field limiting ring•Typical termination designs:employ multiple rings with a proper spacing•Alteration of depletion layer spreading due toPositive surface charge No surface charge Negative surface charge In practice, charge at the surface of thermally oxidized silicon is positive and varies from 1010~ 10Need to control the charge as low as possible ÎNormally assumed 5X10at simulationBV seriously degrades with the charge >> 1X10 for the P+/N junction (N-channel device)Bias+:ABias-:C50ohm-cm60708090100Voltage[V]Current[A]•For a 150um wafer, resistivity should be optimized to get the maximum BVBV=645Vsurface junctionBV=450V surface junctionBad design:lack of the number of P-wellsGood design:showing good blocking capability, the peak E-field should be less than ~2.5E5V/cmForward Blocking -Termination edge Active cellSEM photoHigher blocking voltage•By properly implementing field limiting rings, the ÎWhen design, numerical simulation as well as empirical approach are employed•Fabricated Termination Structure+ VceForward Conduction Characteristics•Forward Conduction Characteristics: Two ApproachesN+P N-gateemitterJ1J2J3Vge>Vthh h h h h h hh hhh hh h h Conductivity Modulation(high level injection)e e ee e ee e e e e ee e e eeForward Conduction:•Ie flows through MOS channel while Ih flows across PNP transistor Ih= α/(1-α)*Ie, IE=Ie+Ih=1/(1-α)*Ie•Since IGBT has a long base PNP, αis mainlydetermined by αTαT= 1/ cosh(1/La), La: ambipolar diff lengthα~ 0.5 (typical value)•MOSFET channel current (saturation),Ie=U*Cox*W/(2*Lch)*(VG-Vth)2•Thus, saturated collector current,IhIe IePNPMOSIGBT Operation •IE=Ie+Ih•High gain IGBT (Ih>>Ie):low conduction loss, low speed•Low gain IGBT (Ih~ Ie):high speed, high conduction lossP-baseN+ emitterHole current electron currentIcIGBT Operation-Summary•Turn-On1.Inversion layer is formed when Vge>Vth2.Apply positive collector bias, +Vce3.Electrons flow from N+ emitter to N-drift layer providing the base current for the PNP transistor4.Since J1 is forward biased, hole carriers are injected from the collector (acts as an emitter)5.Injected hole carriers exceed the doping level of N-drift region (conductivity modulation)•Turn-Off1.Remove gate bias (discharge gate)2.Cut off electron current (base current, Ie, of pnp transistor)3. Collector current gradually decays with a characteristic time via recombination process (minoritycarrier lifetime)•Turn-on of the parasitic PNPN structure due to increased current densityN+P+N-gateemitterIh2Ih1IeRs•Once the parasitic PNPN structure is turned on, the operation ofwhich finally results in permanent thermal failure with excessive power dissipation.Îmaximum operating current is limited!!•Latch-up current:maximum allowable current before the latch-up happens or the current at the onset of latch-up ÎThe higher latch-up current means the better latch-up immunityLatch-Up Mechanism1.Voltage drop across Rs by Ih1 forward biases P+/N+ junction2.Under normal operating condition, forward bias is very small3.As current density increases, the voltage drop reaches ~0.7V andturns on4.The collector current flows directly emitter terminal bypassing the MOSFET channel5.At this condition, IGBT loses the gate controllability6.αPNP+αNPN=1Latch-Up Mode –150200250300350V ge = 20VV ge = 15VI c [A ]Static Latch-up:The PNPN turns on due to increase in current density with the high gate bias under normal operationIcFailure occursÎDeactivate the parasitic NPN•Via PNP transistor:1.Reduce the base transport factor, αT, by reducing minority carrier lifetime2.Reduce the injection efficiency by inserting N+ buffer layerÎtrade-off with the on-state voltage drop!•Via NPN transistor:1.Shorting N+ emitter to P-base:Reduce the potential difference btw N+ emitter/P-base2. Deep P+ diffusion:Reduce Rs by employing P+ diffusionTwo step diffusion not to change Vth5. Hole current By-Pass:Reducing the hole current flows through Rs by providing an additional hole current path6.Emitter Ballast Resistance:By increasing effective resistance of N+ emitter, reduce the relative potential difference btw A and B Îreduces forward bias btw P-base/N+ emitter. However, high on-state voltage dropPN+Ih1Ie7. IGBT cell with Diverter:By providing hole current diverter, Ih2 can be significantly reduced.8. Thinner gate oxide or Counter-Doped channel: By this approach, able to increase P-base dopingPN+Ih1Ih2•Thinner gate oxide: low gate rupture voltage•Counter doped channel: process complexity9.IGBT Cell Topology: various cell designs possible-stripe type:Switching Characteristics (1)•Gate turn-off Capability:1.When the gate grounded or negative biased w.r.t the emitter, the2.When Vge<Vth, the inversion layer disappears and3.However, the collector current exists for a certain amount of time since4.Hole carriers stored in N-drift layer gradually decay via the recombination process and can be seenas the tail current.VGEICCurrent tail•Resistive Load Test:•Inductive Load Test: commonly used because of inductive nature of system load in practice•IGBT inherently has a current tail during the switching off so lifetime control technique is used to facilitate recombination process in the N-drift layer.ÎIntroducing recombination centers to reduce the minority carrier-deep level impurities: gold, platinum (Vth shift, poor MOS interface characteristics)-High energy particle bombardment:electron, neutron (uniform), proton (localized)y Electron Irradiation is widely used (in practice, optimum condition is empirically found) 1/T f=1/T i+K∗Φ K: radiation damage coefficient,8Mrad16Mrad24Mrad•Forward Conduction Characteristics180200220240260280300T f [n s ]•Inherent trade-off performance btw conduction and switching losses•On-State CharacteristicsABDiode and resistance effects offset•Switching Characteristics•Latching Current Density•Under simultaneous high Vce and Vge conditionsÎMeasure the short circuit withstand timeÎIndustrial requirement: 10us under Vge=15V and Vce=0.5*blocking voltage at Tc=125CElectrical failure:can be observed shortly after turn on of the device. At the onset of short circuit operation, the short circuit current reaches its peak value. After being turned on, the current slightly decreases due to reduction in carrier mobility with temperature. When the short circuit peak current exceeds its latch up current level, the p base and n+ emitter is forward biased, leading to thyristor latch-up, which results in instantaneous device failure. On the other hand, the device could also fail at the instance of maximum power density. At this condition, avalanche currents by impact ionization at the n-drift/ n+ buffer junction trigger a positive feedback mechanism such as in a bipolar junction transistor, increasing the collector current until the device fails.Thermal failure:occurs during the short circuit operation. When the short circuit energy, Esc, exceeds the critical energy, Ecrit, the maximum temperature in the device reaches the critical temperature where the doped silicon becomes intrinsic and the blocking capability degrades due to fatal damages in silicon or silicon-metal interface, leading to catastrophic thermal runaway. It is presented that the critical temperature, which thermally vanishes the potential barrier between the n+ emitter and p-base junction, is around 650 K. In addition, another thermal failure signature can be observed as shown in Fig. The device could fail during the blocking state a few hundred microseconds after the turn-off due to local lattice heating caused by high leakage currents exceeding heat dissipation capability of the device.Turn-Off failure:At this point, the main cause of failure is reported as the excessive power surge involved in a voltage overshoot or inhomogeneous operation by statistical imbalances of the effective gate resistance value as well as each active cell.•In general, the short circuit failure energy is constant irrespective of the test conditions ÎThe higher short circuit current, the shorter short circuit withstand timeÎTo improve short circuit capability: reduce the short circuit peak current (key Idea)•By controlling EBR, good short circuit capability can be obtainedFBSOA (Forward Biased SOA):Limited by latch-up currentLimited by breakdown voltageLimited by temperature rise due to power dissipationRBSOA (Reverse Biased SOA):Turn-Off transient SOASafe turn-off without the latch-upLatch-up currentNPT-Comparison with PT IGBTs •Benefits of NPT technology-Offer wafer cost reduction: cheaper substrate used instead of Epi wafer -No lifetime control required-Show superior trade-off performance-Lower conduction loss as well as faster switching-Enhanced Short Circuit Ruggedness•Challenges-Ultra thin wafer processing(Backside Grinding/ Implantation/ Metallization)-Hard to process with normal process equipments•100um thick NPT devices show significant performance benefits against PT counterparts1520253035NPT(Dose_A,bake_A)NPT(Dose_B,bake_B)FCS_PTE o f f [µJ /A ]NPT-Trade-Off PerformancePT NPTEoffVce Ic Eoff reducedNPT-Switching Performance at Tc=125CCurrent tail nearly disappeared in NPT IGBT at high tempPT device:Vce=300V, J=1500A/cm2 Esc=1.09J Vce=500V, J=1650A/cm2 Esc=1.12JNPT device:Vce=300V, J=1500A/cm2, Esc=1.37J Vce=500V, J=1650A/cm2, Esc=1.4JTsc=22usTsc=14usTsc=8usTsc=12usNPT-Short Circuit RuggednessIGBT Design1. Termination Design:selection of material (blocking capability, resistivity & thickness)termination design (FLR, location of field plate, FLR depth..)2. Cell Design: Planar or Trenchoptimum cell spacing (gate width, gate open)active well dose & depth (Vth, blocking capability, channel length, JFET resistance) gate oxide thickness (Vth, GOI)EBR pattern (depending on ruggedness requirement)3. Chip Layoutdetermination of chip size (current rating and Vcesat requirement)gate PAD and gate bus line (providing the wire bonding area andgate signal path)4. Process IntegrationIGBT Design –Chip LayoutFairchild On-Semi Infineon ST-Micro Die Size 1 1.14 1.5 2.02 IGBTs from different manufacturers。

详解IGBT系统[图文]

详解IGBT系统[图文]IGBT，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET 器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。

理想等效电路与实际等效电路如图所示：IGBT 的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开关特性）。

动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：IGBT的开通过程IGBT 在开通过程中，分为几段时间1.与MOSFET类似的开通过程，也是分为三段的充电时间2.只是在漏源DS电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和过程中增加了一段延迟时间。

在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton，上升时间Tr和Tr.i 除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.iIGBT在关断过程IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。

第一段是按照MOS管关断的特性的第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。

在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf和Tf.i 除了表格中以外，还定义trv为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td（off）。

漏极电流的下降时间Tf由图中的t（f1）和t（f2）两段组成，而总的关断时间可以称为toff=td（off）+trv十t（f），td（off）+trv之和又称为存储时间。

从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关系：从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念：开启过程关断过程尝试去计算IGBT的开启过程，主要是时间和门电阻的散热情况。

C.GE 栅极-发射极电容C.CE 集电极-发射极电容C.GC 门级-集电极电容（米勒电容）Cies = CGE + CGC 输入电容Cres = CGC 反向电容Coes = CGC + CCE 输出电容根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析对应的电流可简单用下图所示：第1阶段：栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE（th）。

IGBT器件结构

电气键合工艺
外部电气连接技术
1. 烧结效应 2. 螺丝连接 3. 焊接连接 4. 插件连接 5. 压接技术 6. 弹簧连接
连接较好
连接较差
PCB和IGBT模块的焊接
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
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1. 烧结效应 2. 螺丝连接 3. 焊接连接 4. 插件连接 5. 压接技术 6. 弹簧连接
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
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电气键合工艺
外部电气连接技术
烧结效应现象:电击穿绝缘
1. 烧结效应 2. 螺丝连接
对象:可分离的电气连接-螺丝和弹簧
3. 焊接连接
机理: 贵金属( Au/Pd )产生5纳米的氧化层
普通金属(Cu,Ni,Sn)产生几十纳米的氧化层
11
内部电气连接技术
1. 芯片焊接 2. 系统焊接 3. 超声焊接技术 4. 锡焊 5. 超声焊接 6. 低温连接 7. 扩散焊接
电气键合工艺
系统焊接
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
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内部电气连接技术
1. 芯片焊接 2. 系统焊接 3. 超声焊接技术
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
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IGBT模块的材料
塑模材料、环氧树脂和硅胶
1700V/400A
目前：逐步用软铸造树脂/绝缘化合物，比如硅胶代替环氧树脂
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application

电站igbt原理动画演示

电站igbt原理动画演示随着能源需求的增长和环境意识的提高，电站作为重要的能源供应系统，扮演着至关重要的角色。

在电站中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种关键的功率开关设备，它在电站的运行中起着重要的作用。

本文将通过动画演示的方式，解释电站IGBT原理，帮助读者更好地理解其工作机制。

1. IGBT简介IGBT是一种功率半导体器件，它结合了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和双极型晶体管（BJT）的优点。

通过共享MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降，IGBT能够在高电压和高电流条件下实现低开关损耗和高效率。

因此，在电站中，IGBT被广泛应用于逆变器、充电器和直流输电系统等关键设备。

2. IGBT的工作原理IGBT由四个不同的区域组成：N型导电区（n+），P型底区（p-），N型栅极区（n-），以及P型互补区（p+）。

在无外部电压作用下，IGBT处于关闭状态。

当正向电压施加于集电极和发射极之间，电子从N+区注入，使P-区的空穴得到填充。

此时，N-栅极区产生高浓度的电子，形成导电通道，以减小绝缘栅极阻抗。

3. IGBT的开启为了将IGBT从关闭状态切换到导通状态，需要施加一个足够的正向电压。

当正向电压施加到集电极和发射极上时，电子开始注入P-区，从而创建一个电流通路。

同时，通过施加一定的栅极电压来激活栅极，进一步减小绝缘栅极阻抗，使电流更容易通过。

4. IGBT的关断当需要关闭IGBT时，需要将正向电压移除，并施加一个反向电压。

在这种情况下，集电极和发射极之间的注入电流停止，IGBT返回到关闭状态。

5. 电站IGBT应用示例在电站中，IGBT被广泛应用于逆变器和整流器中。

以逆变器为例，它将直流电源转换为交流电源，以满足电网需求。

IGBT作为逆变器的核心组件，能够有效地控制电流和电压的转换过程，实现高效、可靠的能源转换。

6. 动画演示为了更好地理解电站IGBT的工作原理，以下是一段动画演示：(动画演示开始)首先，我们看到一个闭合的电路，包括电源、IGBT、负载和控制电路。

IGBT原理分析及关键参数(个人收集)

大功率IGBT器件应用中的常见问题解决方法1 引言80年代问世的绝缘栅双极性晶体管igbt是一种新型的电力电子器件，它综合了gtr和mosfet 的优点，控制方便、开关速度快、工作频率高、安全工作区大。

随着电压、电流等级的不断提高，igbt成为了大功率开关电源、变频调速和有源滤波器等装置的理想功率开关器件，在电力电子装置中得到非常广泛的应用。

随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展，开关器件在应用中潜在的问题越来越凸出，开关过程引起的电压、电流过冲，影响到了逆变器的工作效率和工作可靠性。

为解决以上问题，过电流保护、散热及减少线路电感等措施被积极采用，缓冲电路和软开关技术也得到了广泛的研究，取得了迅速的进展。

本文就针对这方面进行了综述。

2 igbt的应用领域2.1 在变频调速器中的应用【3】spwm变频调速系统的原理框图如图1所示。

主回路为以igbt为开关元件的电压源型spwm 逆变器的标准拓扑电路，电容由一个整流电路进行充电，控制回路产生的spwm信号经驱动电路对逆变器的输出波形进行控制;变频器向异步电动机输出相应频率、幅值和相序的三相交流电压，使之按一定的转速和旋转方向运转。

图1 变频调速系统原理框图2.2 在开关电源中的应用【5】图2为典型的ups系统框图。

它的基本结构是一套将交流电变为直流电的整流器和充电器以及把直流电再变为交流电的逆变器。

蓄电池在交流电正常供电时贮存能量且维持正常的充电电压，处于“浮充”状态。

一旦供电超出正常的范围或中断时，蓄电池立即对逆变器供电，以保证ups电源输出交流电压。

图2 ups系统框图ups逆变电源中的主要控制对象是逆变器，所使用的控制方法中用得最为广泛的是正弦脉宽调制(spwm)法。

2.3 在有源滤波器中的应用【6】图3 有源滤波系统原理图并联型有源滤波系统的原理图如图3所示。

主电路是以igbt为开关元件的逆变器，它向系统注入反向的谐波值，理论上可以完全滤除系统中存在的谐波。

IGBT的结构原理及特性 ppt课件

现代电力电子技术
——3.5 绝缘栅双极晶体管（IGBT）
3.5.1
IGBT的基本结构和工作原理
3.5.2 IGBT的工作特性
3.5.3 IGBT的主要参数
CONTENT
1 IGBT简介
IGBT，绝缘栅双极晶体管（ Insulated Gate Bipolar Transistor ），它是由BJT（双极结型晶体管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组合而成的全控型、电压驱动型半导体器件。
（3）2014年6月，中车株洲时代推出全球第二条、国内首条8英寸 IGBT芯片专业生产线投入使用；
（4）2015年10月，中车永电/上海先进联合开发的国内首个具有完全知识产权的6500V高铁机车用IGBT芯片通过高铁系统上车试验；
（5）2016年5月，华润上华/华虹宏力基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型1700V、 2500V和3300V IGBT芯片已进入量产。
tfi1—IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快 tfi2—IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢 IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。
（压1确）定最；大集射极间电压UCES — 由内部PNP晶体管的击穿电（大（耗2电3。））流最最IC大大P ；集集电电极极电功流耗—PC包M —括正额常定工直作流温电度流下IC和允1许m的s脉最宽大最功
（2）IGBT的关断过程
关断延迟时间td(off) —从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至幅值的90%；
下降时间tf—iC从幅值的90%下降至10%的时间；关断时间toff—关断延迟时间与下降时间之和。

最详细的的-IGBT-解析讲解学习

最详细的的-I G B T-解析IGBT详细解析概述IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)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, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

1. 结构IGBT结构图左边所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。

P+ 区称为漏区。

器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。

沟道在紧靠栅区边界形成。

在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。

而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。

附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。

IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

三菱制大功率IGBT模块2. 工作特性2.1 静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

主逆变器IGBT系列模块应用(PPT only)

Collector
Wafer back side
The IGBT is the preferred device for higher currents in typical inverter applications The trench + field-stop cell design enables lower switching losses and high robustness Increasing the junction temperature is the future road for higher power density
22uF/6.3V/X7R 10n/16V/X7R C105
u c_ T C1 7 67 FLT _ Un FLT _ Vn FLT _ Wn FLT _ n FLT _ Un FLT _ Vn FLT _ Wn FLT _ n P 1_ 5 P 1_ 6 P 1_ 7 G PT A2 0 Clk G PT A8 G PT A9 G PT A1 8 G PT A1 9 P 1_ 9 T RS Tn T CK T DI T DO T MS B RK OUT n B RK INn P ORST n P 3_ 1 3 S CL K 0 M RS T0 M TS R0 S LS O0
18.03.2012
Copyright © Infineon Technologies 2010. rights reserved. Copyright © Infineon ogies 2011.All All rights reserved.
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大量长期的实车应用中HybridPack™的零缺陷实践
HP2 800A/650V, Current Curve @ different motor frequency

英飞凌各代IGBT模块技术详解

英飞凌各代IGBT模块技术详解IGBT 是绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）的英文缩写。

它是八十年代末，九十年代初迅速发展起来的新型复合器件。

由于它将 MOSFET 和 GTR 的优点集于一身，既有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，电压驱动（MOSFET 的优点，克服 GTR 缺点）；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展（GTR 的优点，克服 MOSFET 的缺点）等综合优点，因此 IGBT 发展很快，在开关频率大于 1KHz，功率大于 5KW 的应用场合具有优势。

随着以 MOSFET、IGBT 为代表的电压控制型器件的出现，电力电子技术便从低频迅速迈入了高频电力电子阶段，并使电力电子技术发展得更加丰富，同时为高效节能、省材、新能源、自动化及智能化提供了新的机遇。

英飞凌／EUPEC IGBT 芯片发展经历了三代，下面将具体介绍。

一、IGBT1－平面栅穿通（PT）型 IGBT （1988 1995）西门子第一代 IGBT 芯片也是采用平面栅、PT 型 IGBT 工艺，这是最初的 IGBT 概念原型产品。

生产时间是 1990 年－ 1995 年。

西门子第一代 IGBT 以后缀为“DN1” 来区分。

如 BSM150GB120DN1。

图 1.1 PT-IGBT 结构图PT 型 IGBT 是在厚度约为 300－500μm 的硅衬底上外延生长有源层，在外延层上制作IGBT 元胞。

PT-IGBT 具有类 GTR 特性，在向 1200V 以上高压方向发展时，遇到了高阻、厚外延难度大、成本高、可靠性较低的障碍。

因此，PT-IGBT 适合生产低压器件，600V 系列 IGBT 有优势。

二、IGBT2－第二代平面栅 NPT-IGBT西门子公司经过了潜心研究，于 1989 年在 IEEE 功率电子专家会议（PESC）上率先提出了 NPT－IGBT 概念。

由于随着 IGBT 耐压的提高，如电压VCE≥1200V，要求 IGBT 承受耐压的基区厚度dB>100μm，在硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅成本高，而且外延层的掺杂浓度和外延层的均匀性都难以保证。

IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管和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, 兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

))对于应用IGBT晶体管的人来说，我们主要有以下参数需要了解：IGBT的测试参数包括栅极-发射极阈值电压、集电极-发射极截止电流、集电极-发射极饱和电压、IGBT开通关断时间以及续流二极管的恢复时间等[5]。

这些参数的测试方法符合国标GB/T17007-1997的标准，但部分参数的测试方法有所差异和改进。

(1)栅极-发射极阈值电压VGE(TO)测试:由电压源对被测器件施加规定的集电极-发射极电压;从零开始逐渐增加栅极-发射极间的电压,当检测到集电极电流达到规定值时，此时的栅极电压值即为栅极-发射极阈值电压。

(2)栅极-发射极漏电流IGES测试:集电极-发射极间短路;由电压源对被测器件施加规定的栅极-发射极电压,这时通过栅极-发射极回路的电流即为栅极-发射极漏电流。

(3)集电极-发射极截止电流ICES测试:栅极-发射极短路;由电压源对被测器件施加规定的集电极-发射极电压,这时通过集电极-发射极回路的电流即为集电极-发射极截止电流。

(4)集电极-发射极饱和电压VCE(sat)测试:由电压源对被测器件施加规定幅值和脉宽的栅极电压;调节集电极-发射极电流至规定值,这时相对栅极脉冲稳定部分的集电极-发射极电压即为集电极-发射极饱和电压值。

(5)开通时间ton测试:由电压源对被测器件施加规定幅值、脉宽及上升率的栅极电压;调节集电极电流至规定幅值,开通时间是指开通延迟时间与集电极电流上升时间之和。