浙大春学期《电力电子技术》课程第二章功率半导体器件的驱动

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(InsulateGateBipolarTransistor)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CMOSIC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IGBT1996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600VTrench(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(Fairchildsemiconductor)推出小功率SDB-IGBT投放市场。1999年IXYS公司推出了1600V/40ACS(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/60ANPT-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,满足最新的节能标准。快速IGBT已应用到了150KHz～180KHz的频率范围(如美国Intesil公司的SMPSIGBT系列和IR公司的WARPZTMIGBT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,以高性能产品来满足变频家电最新的节能标准要求。目前,IGBT的单片水平已达到80A/4500V、模块水平达到1800A/4500V、工作频率达到150KHz。技术上发展到第五代,这一代IGBT的技术特点是NPT槽栅结构,采用了亚微米微细加工技术、薄单晶硅片技术、背P+层透明发射极技术和分层辐照技术。IGBT未来的发展方向有两个,一是超大功率、智能化IGBT模块;二是快速IGBT。IGBT的迅速发展促进了智能功率模块IPM(IntelligentPowerModule)的发展。目前,IGBT-IPM已发展到把MPU和PWM等控制电路也集成进来的第三代产品。IPM的发展趋势是功率容量更大、开关频率更高、控制及保护等电路的性能更好、功能更全。拌国内哲主要对研究遭现状撒由于骆设备叙及工蕉艺水巩平等际因素酬的影铜响,葱国内旧IG脉BT于还处轮于研淘制阶迅段。税19锹97逢年学西安在电力稳电子禾技术樱研究爪所研灶制出迁10彼50绳V坚/千20遇A油的P凑T砌-乳IG摧BT贷样品滴,并铜对少卡子寿秒命控萄制技腹术进五行了木较深版入的台研究犁。2校00鼠0柔年电画子科扒技大童学微找电子取所研哑制出土12躲00渡V往/昂20沫A恳S汁DB派-侄I耍GB树T的朝样品爽。2哈00颠1年响北京稿工业轨大学衬对N孟PT分-负I臂GB隐T进寺行了瓶深入继研究滔。该嫩项研它究是膜把N谣+扩菜散层孙做缓肃冲层教加入垒NP故T道-纳IG草BT左结构祝中,礼背P哄+集野电区洞是采丽用硼坚离子勺注入辣形成尘的浓负度不后高,防浅结纵(约姿5漆μ税m)两的透辩明集姨电极钱,这需与国捆外N遮PT贴技术材相同偷。并批对新秒结构意IG序BT破进行础了仿围真。哪20狡04梳年西膏安交锤通大悦学对南NP既T支-侵Tr葬en亦ch姓-贞IG煌BT匀工艺到进行奶了创溜新性币研究拔。该巨项研倘究是企采用疾全自怪对准数槽栅检工艺结,大稻规模阅集成槽电路奔的L爱DD茶工艺话,只辫用2份块掩斩模完锣成器柴件制锻作,樱该技论术已兰申请地国家益发明笑专利静。中勾国电摇子科舞技集穿团公旗司4鄙7所精、2疑4所教也进令行了苏深入宣的研凤究。冒我国邀对I械GB罪T的陆研究东始于弹上世锈纪9汁0年驰代初手,研拾究单衡位多讲数是颜大学既。目塌前,麻国内羞还没玻有商梁品化日的I漂GB述T投道入市兼场,常研制违开发花工作仔比较垂漫长肿。料市场屋需求穿情况悦及发句展趋惜势稿军品林市场腊情况节IG训BT昏的性语能极嫁其优甲越,俘在尾电子识系统文中,商采充用I昌GB表T或拣IG叫BT休-柏IP朱M技指术后今,可六使整彻机的瓣性能剧及可宪靠性湾显著窃提高袋。I盲GB繁T在经军事狗领域恶有广吼泛的笼应用委。机街载、脖舰载花、雷奋达等疫随动疲系统臂和自福动定拘位系翅统中宽的侍掏服电赵机驱密动用膊IG兵BT算-式IP者M,脾其绩性能败规格桨60劲0V强/惩30精～仅60剖A须;在趣军事赞机载寸、星逆载电截源系股统中沸的D侍C向/D凭C变付换器逮用I水GB冲T单尖管,胁其性恢能规林格4比00北V塑/8逆0～芳12偶0A满;在馆大功发率领病域,符舰艇掏上导义弹发目射装宵置控呼制用塔IG幅BT龙-I糕PM丘等。禽民品派市场浓情况带IG责BT游在民厚品市殊场具筹有更够加广砌泛的叮应用狭。电积磁感核应加衡热用桃IG何BT框:在拳IH榜电饭婚煲、出电磁拆炉、闯微波炎炉的川电磁削感应否加热维电路嘱中,辱采用渠IG辨BT扭单管性,其豪性能拿规格错60狡0～齐15着00饲V沃/4季0～案80丝A肌,如盆美国既飞兆垦半导贴体公穿司最议新推架出的畏10院00嫂V业/孙60顷A剖N茄PT库-已T渴re渐nc脆h棍-瓜IG首BT存,其渔通态扬压降谋2.哄5更V,诸关断创时间作13鸭0n昌s,加专门捎投放仆中国器市场承。频卸闪观铅测器千用I食GB栏T:绩在照途相机座频闪腐观测扰器电脆路中樱,也室采用蜘IG偿BT首单管俯,其扣性能辱规格威40糊0V虑/血60咳～办80驱A惰,如释日本戴东芝捡公司袄生产嫁的G糊T佩20调G转10纺1系梨列产烦品。斜变频寿器用瓜IG虎BT症:在偿变频盒空调蚁、静处音冰届箱、卧洗衣基机等纠家电聪的电嫩机驱蜓动系乓统中踏,采抽用I抗GB议T炭-湖IP猎M。弟每个编模块顷含有能6乡个I天GB师T芯雷片,纳其性否能规恼格6炕00超V谎/1扣5赔～这50房A拥。如流美国犁飞兆蒙、日夜本富乱士公旁司分庙别推萝出的看Mo产ti元on鼠-位I特PM献系列写和R隐系列闻产品丈投入粮市场建。日帅本三订菱公既司开怨发第级五代核IG孙BT嫂硅片拼技术信,以呆高性壤能产梁品来挺满足础变频狗家电铅最新输的节描能标模准要括求。坟逆变蜘器用墓IG惊BT淹:在糟节能艘灯电恩子镇捞流器阻中,美采用怖小功本率单处管I妨GB帐T,丈其性场能规抱格纺60页0V唯/5汉～键10疾A口;在晓电力馋机车患VV招VF蛮逆变炮器中纱,采牲用大冰功率呢IG幅BT亮-苦IP墙M,胖其性壁能规乓格峰20芒00桨V谎/仅60衬0A闪。此精外,救I扶GB把T及端IG剂BT弟-窄IP含M在布通讯滥电源哑、U样PS欲不间璃断电酒源及公电焊猾机中贞也有斜广泛味的应赛用。岗市场划发展模前景幅步入铁21验世纪快,全执球电软力电握子器摄件市爷场呈咸现快帝速发露展的愈势头驼,特赔别是莫我国杨随着赖近年悦国民拾经济抵的快店速发彻展和旧对电鄙力电途子器难件需唯求的双不断陷增加伐,市状场总泛规模助日益腰膨胀灵。吼“骂十五芝”红期间站电力渗电子航器件糟年平区均增袍长速静度超词过2馋0%辆,写2剖00驴5箱年市泡场销菠售额嫌超过鲜20煮0呜亿元院。而宗其中晃的高喷科技带产品屋IG袍BT跌等新馅型电胳力电辛子器事件年食平均薪增长河率超凑过3丘0%旬。2千00阅5年路,国劳内I共GB宰T市临场超牺过5蛮亿只瞒。预仇计健“膜十一洞五番”桨期间色IG仓BT品的市犁场年华平均内增长纸率也惑将保首持3醋0%凯以上换。圣IG疲BT织对控响制驱贝动电陪路的似要求欧功率吨IG冠BT备是恰电压部驱动闻元件咐,具植有一艳个(箱3～并6)叮V深的阈阅值电锄压,馅有一指个较错大的裳容性限输入希阻抗病,对扑栅极陡电荷技非常敬敏感证,故齐驱动参电路貌必须椒很可冷靠,肿稀IG欧BT加开口关特斤性和蓬安全铸工作热区随妹着栅演极驱竟动电捎路性驰能的钱变化筐而变掘化,寨驱动喘电路爸性能息直接喜决定休IG套BT烫能放否正框常工俊作,坡IG歉BT违常待采用戚栅极祸驱动泛,与尚其它栋自关复断器展件一足样,位IG语BT阳对孟驱动苏电路盒也有横一些掌特殊忘要求倍。盼(1厌)缺极驱木动电饥压U炮GE豪。扮在吓IG逝BT川开订通时厅,脉救冲前妖沿很讨陡的歼栅极碧电压吊加到献栅极者和发菌射极深之间勒,使槐IG胖BT散快男速开归通,辛开通扁时间励短,矛减小寨开通请损耗疲;在运关断臭时,伴下降牢沿陡伪的反四向偏酸置电耳压加词到栅坟极与捏发射弃极间壶,使斤之快弊速关忽断,闻减小伏关断弱损耗灰。因搜此,奥用内兼阻小岭的驱舒动源乐对栅附极电未容充辆放电妨,以饮保证紧栅极凝控制锯电压帆U件GE局有足谈够陡乡的前蹲后沿就,使迹IG脉BT独的鄙开关党损耗码尽量受小。止IG词BT析导康通中叮及瞬委时过究载时摧,栅霸极驱雷动源逆应能滩提供慨足够散的功窜率,抱使I驳GB逼T能不退兄出饱范和而怖损坏自。阈骗值电压压U少GE伸(t辆h)勤由日器件拨本身抱性能层决定塔,实桥际应盟用中飞U酱GE隶应不皇小于拔(1埋.颗5～蹈2.确5席)悲U耗GE薪(绩th龟)绍,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