Fuji富士IGBT模块应用手册中文版

2018-07-27 08:40:21 561

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Fuji富士IGBT模块应用手册中文版

第 1 章构造与特征

1. IGBT 芯片构造的变迁 .......................................... 1-2

2. IGBT 模块的构造 .............................................. 1-4

3. IGBT 模块的电路结构 .......................................... 1-5

4. 过电流限制功能............................................... 1-6

5. 关于RoHS 指令................................................ 1-6

6. 安规标准：关于 UL 认证 ........................................ 1-6

第 2 章术语与特性

1. 术语说明..................................................... 2-2

2. IGBT 模块的特性 .............................................. 2-4

第 3 章应用中的注意事项

1. IGBT 模块的选定 .............................................. 3-2

2. 静电对策与门极保护........................................... 3-3

3. 保护电路设计................................................. 3-4

4. 散热设计..................................................... 3-4

5. 驱动电路设计................................................. 3-4

6. 并联连接..................................................... 3-5

7. 实际安装的注意事项........................................... 3-5

8. 保存、运输上的注意事项 ....................................... 3-6

9. 关于可靠性的注意事项 ......................................... 3-6

10. 其它实际使用中的注意事项 .................................... 3-7

第 4 章发生故障时的应对方法

1. 发生故障时的解决方法 ......................................... 4-1

2. 故障的判定方法............................................... 4-7

3. 典型故障及其解决方法 ......................................... 4-8

第 5 章保护电路的设计方法

1. 短路（过电流）保护........................................... 5-2

2. 过电压保护................................................... 5-6

第 6 章散热设计方法

1. IGBT 损耗的计算方法 .......................................... 6-2

2. 散热器（冷却体）的选择方法 ................................... 6-7

3. IGBT 模块的安装方法 ......................................... 6-11

第 7 章门极驱动电路设计方法

1. 驱动条件和主要特性的关系 ..................................... 7-2

2. 关于驱动电流................................................. 7-6

3. 死区时间的设定............................................... 7-8

4. 驱动电路的具体实例.......................................... 7-10

5. 驱动电路设计、实际安装的注意事项 ............................ 7-11

第 8 章 IGBT 模块的并联应用

1. 稳态电流的不均衡............................................. 8-2

2. 开关状态电流的不均衡 ......................................... 8-6

3. 门极驱动电路................................................. 8-7

4. 并联时的接线图............................................... 8-8

第 9 章评价、测量方法

1. 适用范围..................................................... 9-1

2. 评价、测量方法............................................... 9-1

第 10 章 IGBT 模块的电磁兼容性设计

1. 电机驱动系统的电磁兼容性概述 ................................ 10-1

2. 电机驱动系统的EMI 设计...................................... 10-4

3. IGBT 模块应用的EMI应对措施................................. 10-11

第 11 章功率模块的可靠性

1. 可靠性的基础................................................ 11-2

2. 可靠性试验.................................................. 11-4

3. 功率周期曲线................................................ 11-6

１ IGBT芯片构造的变迁

通过向门极外加正向电压来形成 N 型沟道（N 沟道型）的 IGBT，是通过在功率 MOSFET 的漏极上追加 p

层

构成的，同时也是一种通过使用基极层的电导率调制，实现大电流下低通态电阻化的器件。

IGBT 的构造可大致划分为表面栅构造和整体构造（以基极层形成为基础）。表面栅构造又分为平面栅构造

和沟槽栅构造两种。其中，平面栅构造在晶片表面（即芯片表面）形成门极，沟槽栅构造在晶片中间开槽形成

门极。整体构造又可大致分为（在关断状态时）耗尽层与集电极连接的穿透（Punch Through）型和不与集电

极连接的非穿透（Non Punch Through）型两种。

图1-1所示为 N 沟道型 IGBT 的构造比较。

富士电机从 1988 年开始对 IGBT进行产品化，至今一直在市场上供应。当时，平面栅穿透型 IGBT 为主流

产品。

当时的穿透型 IGBT是一种使用外延晶片的 IGBT，它通过从集电极大量注入载流子来实现低通态电压，同

时由于在关断状态下，需要迅速消除注入到 N基极层的载流子，所以使用了生命周期控制技术。通过这些，实

现了低通态电压及低关断损耗(Eoff)。

但是在使用了生命周期控制技术的情况下，需要通过生命周期控制技术抑制大量注入的载流子，所以在特

性改善方面受到了限制，而且在使用生命周期控制技术时，导通电压特性会产生偏差，对于近年来需求日益提

高的并列应用所需的大容量化发展等方面非常不利。

为了攻破此难题，富士电机开发了非穿透型 IGBT。非穿透型 IGBT不仅通过对集电极(p+层)的掺杂物浓度

的控制，抑制了载流子的注入效率，更减小了 N 基极层的厚度提高了输送效率。一方面由于非穿透型 IGBT可

使用 FZ（Floating Zone，区熔）晶片代替外延晶片，所以不容易受到晶体缺陷的影响；另一方面由于实现低

通态电压需要提高输送效率，所以减小 N 基极层厚度（即芯片厚度）的技术也变得必不可少。富士电机开发了

晶片的超薄化技术，为特性改善做出了贡献。

为了更进一步改善特性，IGBT 的芯片厚度必须更薄，但是由于芯片的厚度很大程度上取决于 N 基极层的

厚度，如果进一步减小芯片厚度，就无法保证截止时承受的既定电压。FS（Field Stop，场终止）结构解决了

这一问题。FS 结构是指在 N 基极层设有高浓度 FS 层的构造。由于采用了这一构造，使得更大的特性改善成为

可能。

另外，富士电机也同时进行着 IGBT 特性改善所不可或缺的表面构造细微化研究。IGBT 是由多个被称为元

胞的基本单元构成的。IGBT 元胞数越多就越能实现低通态电压，因此表面构造也慢慢从在晶片表面制作 IGBT

元胞的构造（平面结构构造）向在 Si 表面开槽从而形成三维门极构造转变。

如上所述，富士电机 IGBT 通过在整体构造以及表面栅构造中使用各种技术实现了特性改善。

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