高压IGBT芯片开关过程栅分布效应仿真研究

高压IGBT在导通或关断时是先从栅焊盘处获得驱动信号,然后再依靠多晶硅层通向芯片的各个区域。由于多晶硅层形成的栅分布电阻效应使得芯片内元胞对栅驱动信号的反应时间不同,芯片内各个元胞不能同时开启或关断,因此IGBT芯片在开关过程中容易产生电流集中现象,尤其当芯片面积较大时,电流集中的现象尤为明显,由此引起芯片动态过程分布效应问题。文章围绕IGBT的电学和温度特性研究高压IGBT芯片动态过程分布,对IGBT芯片进行器件结构建模,搭建Spice电路构建带有栅极电阻和栅极分布电阻的IGBT模型,仿真分析IGBT芯片动态过程中电压、电流和功率的变化情况。采用ANSYS仿真软件构建IGBT热仿真模型,仿真分析动态过程分布中电流集中效应给器件表面温度分布带来的影响,为提高器件的电流和温度分布均匀性提供了重要的参考依据。     

问与答

答：（1）IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是功率MOSFET 技术的派生器件。它结合了双极结型晶体管（BJT）的低导通损耗和功率MOSFET的高开关速度的特点,是一种电压控制型器件。与晶闸管相比，IGBT速度更快，dv/dt抗干扰和栅极关断能力更好。当某些晶闸管例如GTO由门极关断时，要求有反向门极电流，而IGBT关断时，唯一要求的是栅极电容放电。象MOSFET一样，IGBT是跨导器件，只要保持栅极电压在阈值电压电位以上，便能维持IGBT的充分导通状态。在故障情况下，IGBT表现了可靠耐用的特性。当器件处于端子短路或接地状态时，短路…     

高速动车组变流器大功率IGBT驱动器保护电路设计

国内高速动车组牵引变流器、辅助变流器均采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率开关器件。理想的IGBT驱动器除了提供适当的栅极正偏压和负偏压,使高压IGBT模块可靠地开通和关断,还应具有完善的保护功能。本文提出了IGBT栅极电压保护、短路保护、di/dt保护、集电极-发射极过电压保护的方法,并利用IGBT双脉冲试验台,进行试验验证。试验结果验证了保护方法的有效性。     

轨道交通用750A/6500V高功率密度IGBT模块

通态损耗及开关损耗的降低是高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)设计与制造的关键。基于"U"形增强型双扩散金属氧化物半导体(DMOS~+)元胞结构、增强型受控缓冲层(CPT~+)及横向变掺杂集电极(VLDC)技术、横向变掺杂(VLD)终端结构等关键技术,研发了具有低通态损耗的6 500 V平面栅IGBT芯片及其配套快恢复二极管(FRD)芯片。将IGBT及FRD芯片封装成750 A/6 500 V IGBT模块并对其进行测试、试验,其动、静态特性与安全工作区(SOA)性能优良,满足我国高速动车组、大功率机车等轨道交通牵引的应用要求。     

大功率IGBT直接并联应用技术研究

介绍了工程中大功率IGBT常用的几种并联方式,并详细介绍了大功率IGBT直接并联应用的技术要点。通过对直接并联应用技术的研究和工程设计开发,包括理论分析、研究性试验以及装车运行考核,表明采用该种大功率IGBT直接并联技术的产品具有更加优良的均流效果和更高的可靠性,有着广阔的市场前景。     

用于低压和高压器件的IGBT的额定过载特性

具有薄n基区和低掺杂场截止层新结构的非穿通绝缘栅双极型晶体管NPT IGBT明显降低了总损耗.特别是场截止概念与挖槽晶体管单元的结合能产生通态电压最小、开关损耗最低、载流子浓度近乎理想的器件.这种概念在600V～6.5 kV以上的IGBT和二极管中得到了发展.当折衷性能和总耐量与电压和电流额定值无关时,低压器件的开关特性与高压晶体管(VBr＞2 kV)的处理方法不同.采用HE-EMCON二极管和高达1 700 V的新型场截止NPT IGBT,几乎不受开关性能的限制,不过,需考虑的是外部栅极电阻必须取确定值.相比低压晶体管,高压器件的电流密度较低,因而高压二极管和IGBT中的"动态"电场强度更临界.     

一种大功率变流器模块在小电流下的失效研究

详述了一种大功率变流器模块在小电流下的工作特点,并进行了理论分析和研究性试验,归纳了在小电流下导致IGBT元件失效的因素,为大功率变流器的可靠性研究提供了参考。     

针对高功率模块的4500VAmantysPowerDriveTM驱动器进入中国市场

10月22日,Amantys宣布推出一款针对高功率模块的全新绝缘栅双极晶体管（IGBT）栅极驱动器,其工作电压为4500V,额定电流从400～1200A。4500V栅极驱动器可满足电力机车、风力发电机组、高压直流和工业驱动应用不断增长的高压IGBT市场需求。     

MOSFET和IGBT关断特性及其对并联特性的影响

文章描述了MOSFET和IGBT关断特性的不同,及其对关断瞬间并联均流特性的影响。MOSFET和IGBT共有的MOS门极结构导致其在器件开通过程具备相似的开通特性。然而,MOSFET单极性结构和IGBT双极性结构的不同导致了其在关断过程中具备不同的关断原理(除了拖尾电流之外),这种不同的关断原理尤其表现在门极电压对关断电流的控制程度。MOSFET的关断电流完全直接受控于门极电压,而IGBT的关断电流在某种程度上不完全直接受控于门极电压。不同的关断原理进而导致了关断瞬间不同的并联均流特性,尤其是在电路参数不匹配的情况下的并联关断均流特性。文章通过理论分析和仿真建模对上述问题进行了研究,仿真和试验结果验证了所提的观点。     

6.5kV高压IGBT的并联应用研究

随着变流器单机容量的不断扩大及中间电压的不断提高,对6.5kV高压IGBT的并联应用需求也越来越多,为了满足该需求,特进行了6.5kV高压IGBT的并联应用研究,包括理论分析、研究性试验及工程化设计开发及试验.结果表明:6.5kV高压IGBT并联取得了很好的均流效果,能够满足变流器批量工程应用要求.     

车载变流器大功率IGBT数字驱动方法研究

文中首先对车载变流器大功率IGBT的驱动进行了深入分析研究,提出了数字驱动的保护构架与保护思想。随后阐述了数字脉冲分配保护作为IGBT驱动预处理的重要作用,列出了预处理的主要功能。之后着重分析了IGBT开关过程中驱动电阻对开关性能的影响,并提出了数字驱动的保护方案。最后设计试验,得到了开通关断过程中不同栅极电阻对应的驱动特性,并结合IGBT开关特性得到最优的开关方案,测试结果表明：数字驱动方案大大降低了开通过程中的损耗与di/dt及关断过程的损耗与du/dt。这一研究成果已在既有大功率机车和动车上装车运用。     

HXD3型电力机车主牵引变流器中IGBT的故障分析及技术措施

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)集场效应管(MOSFET)和大功率晶体管(GTR)的优点十一体,因此,在变流领域中得到了广泛的应用.文中介绍了 IGBT的工作原理和其在HXD3型电力机车主牵引变流器(CI)中的应用,并分析IGBT模块的损坏机理、失效原因,给出了防止故障的技术措施.     

一种基于IGBT的金属钽加热用大电流直流断路器的研制

在使用轫致辐射二极管产生X射线的应用中,需要可控的稳定直流电流对其阳极材料——金属钽进行加热。加热电流来自于大容量低压蓄电池,电流值需要到2 k A以上。为此,文章研制了一套基于功率IGBT的大直流断路器装置,用于控制蓄电池的放电,为金属钽加热提供稳定电流。设计过程中,利用IGBT栅极驱动改变IGBT关断速度,降低了电路中大杂散电感引起的高过压。现场试验结果表明,整套装置的持续直流电流、可关断电流和通态持续时间等指标完全满足设备需要。     

IGBT智能化驱动电路设计

IGBT的驱动电路是应用IGBT开关管的关键技术,一个性能好的驱动电路不仅能有效地驱动IGBT,而且能可靠地保护IGBT。本文介绍了一种半桥电路专用的高压大电流IGBT智能化驱动电路的主要功能、工作原理、应用电路。     

沟槽栅IGBT关键技术研究

与平面栅IGBT相比,沟槽栅IGBT能显著改善通态压降与关断能量的折衷关系,更适用于中低压高频应用领域。针对沟槽栅IGBT技术的挑战(主要包含沟槽刻蚀、栅氧生长、沟槽多晶硅填充等),研究并开发了沟槽栅一系列关键工艺:形貌优良的沟槽槽型,质量完好的栅氧生长工艺以及具备优良均匀性的原位掺杂多晶硅填充工艺等。采用改进工艺后的沟槽栅IGBT芯片具有良好的电学性能,展示出优异的栅氧特性,顺利通过了高温动、静态等多项测试,较平面栅IGBT体现出压降和损耗优势。     

IGBT并联应用技术研究

介绍了IGBT元件并联均流的主要影响因素,针对1 200 V/900 A功率等级IGBT并联应用设计了IGBT并联驱动器、低感母排和散热器,并进行了相应的试验研究。研究结果表明,该并联方案均流效果十分出色。     

地铁列车牵引逆变器中IGBT动态不均衡故障分析

以上海地铁列车牵引逆变器维修现状为例,从分析关键大功率器件IGBT的工作特性出发,通过设计支路动态电流试验,分析器件内部的电流均衡性与其功能失效的关系,为逆变器检修提出了新的思路.     

基于IGBT并联技术的250kW光伏并网逆变器

在大功率光伏并网逆变器的设计中,由于系统具有电压低和电流大的特点,IGBT并联技术受到了广泛重视。文章在深入分析IGBT并联技术的基础上,提出了250kW光伏并网逆变器的系统设计方案,并详细介绍了其主电路参数设计和系统控制方法。实验结果表明,该逆变器设计合理、运行可靠,具有广阔的应用前景。     

牵引级高压IGBT模块短路特性研究及其优化

介绍了IGBT 3种短路类型,通过优化器件的晶体管增益提高第二类短路能力,以承受更大短路电流的冲击,采取驱动电路栅极电压箝位措施来限制短路状态下的过流。经过设计与工艺优化后的高压IGBT成功通过了短路特性试验,满足轨道交通的应用需求。     

计及电热参数更新的高速列车牵引整流器IGBT模块寿命评估

绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为列车变流器的关键部件,其寿命受老化过程中参数变化的影响,为此提出了一种计及电热参数更新的IGBT模块寿命预测方法。首先,利用实车采集到的外部电压、电流数据结合变流器调制策略推导IGBT的驱动信号,进而获得单个IGBT的电压电流;其次,基于数据手册建立Foster热网络模型获取IGBT的结温;之后考虑到实际中IGBT的老化过程,提出一种IGBT结温计算过程中热阻和导通压降的更新策略;最后通过寿命模型对IGBT进行损伤度估算,并通过蒙特卡洛（Monte-Carlo）模拟评估器件寿命计算过程中的不确定性,取得可靠性变化曲线。