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.     

有源电压箝位串联HV IGBT的适用性和优化(一)

介绍了5.2 kV高压绝缘栅双极型晶体管(HV IGBTs)的成功串联应用.穿通型HV IGBT串联应用时要完全控制感应过电压,最大的障碍是拖尾电流的关断问题.可以证明,采用先进的电压箝位技术能够限制因关断拖尾电流而引起的第二个电压尖峰.阳极采用载流子寿命局部分布的IGBT很适合这种应用;拖尾电流间隔时间越短,关断损耗越小.文中集中讨论了穿通型HV IGBT器件串联时的最佳通态等离子体分布,HV IGBT的最新发展趋势似乎与讨论结论相一致.未来先进的HV IGBT技术可完全减轻第一代HV IGBT串联时的困难.     

有源电压箝位串联HV IGBT的适用性和优化(二)

介绍了5.2 kV高压绝缘栅双极型晶体管(HV IGBTs)的成功串联应用.穿通型HV IGBT串联应用时要完全控制感应过电压,最大的障碍是拖尾电流的关断问题.可以证明,采用先进的电压箝位技术能够限制因关断拖尾电流而引起的第二个电压尖峰.阳极采用载流子寿命局部分布的IGBT很适合这种应用;拖尾电流间隔时间越短,关断损耗越小.文中集中讨论了穿通型HV IGBT器件串联时的最佳通态等离子体分布,HV IGBT的最新发展趋势似乎与讨论结论相一致.未来先进的HV IGBT技术可完全减轻第一代HV IGBT串联时的困难.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

国产化6500V/200A高压大功率IGBT的研制

研制的IGBT器件采用完全国产化芯片,通过ANSYS仿真软件对电磁场、热、应力分布等特性进行仿真,实现IGBT器件结构设计最优化;研制的高压大功率IGBT通过了器件、功率模块、辅助变流柜和机车级的试验验证。试验结果满足设计要求,并已形成了芯片—IGBT器件—功率模块—变流器完整产业链,成功批量应用在国内轨道交通领域,具有重大的社会意义和市场前景。     

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。     

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。     

牵引用3300V IGBT/FRD芯片组设计与开发

针对轨道交通绝缘栅双极晶体管(IGBT)的应用特点,利用计算机仿真技术对终端结构进行优化,提高耐压特性;采用台面栅结构,提高开关速度;通过控制载流子注入效率,改善Vceon与Eoff的折中关系,降低芯片损耗;采用先进元胞设计技术,提高芯片短路能力,从而提高芯片可靠性;通过超低阳极掺杂控制阳极注入效率,免除局部寿命控制,降低FRD的反向漏电流。研究开发了3300V IGBT及其配套FRD芯片,满足轨道交通的应用要求。     

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。     

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。     

假栅P区互联对沟槽栅IGBT性能的影响

基于假栅条形元胞设计与200 mm(8英寸)沟槽栅成套关键工艺,成功研制1 700 V沟槽栅IGBT。通过Silvaco仿真与衬板测试,对比研究了假栅P区互联方式对器件的动静态特性与安全工作区的影响。与假栅P区接地方案相比,假栅P区浮空时器件导通与开关损耗更低、RBSOA能力更强。分析了假栅P区互联方式对器件性能的影响机理。器件采用假栅P区浮空方案,结合场截止与载流子存储技术,具有良好的综合性能,已通过各项验证,即将进行应用考核。     

新一代牵引级IGBT模块技术研究与应用

牵引级IGBT模块是现代轨道机车车辆牵引变流器中实现电能变换和功率输出的核心功率器件。新一代牵引级IGBT模块采用最新的IGBT4芯片、EC4二极管芯片、VLD和DLC芯片边缘终端技术,优化了芯片面积与栅极电荷的设计,具有较低的导通电压、优良的高低温电气特性和安全工作区性能。新型IHV-B封装优化了内部芯片布局和互连设计,降低IGBT模块的杂散电感;通过增大芯片的有源面积,减少静态损耗并降低了模块的"结-壳"热阻;优化的功率端子结构提高了抗振动性能,并具有良好的温度分布特性。IGBT4模块通过了一系列严格的可靠性测试,具有良好的环境适应性、功率循环能力和高可靠性。应用IGBT4模块可以提升牵引变流器的功率密度和集成度设计,实现小型轻量化和长寿命的牵引系统解决方案。     

不同牵引策略下地铁杂散电流动态分布研究

基于3种经典牵引策略思想,建立了不同牵引策略下的列车牵引模型。将回流系统等效为4层结构的平面分布参数电阻网络,建立了地铁杂散电流分布模型。通过牵引供电等效计算,将不同牵引策略下的列车牵引模型与杂散电流分布模型相结合,构建了动态边界条件,得到了不同牵引策略下的杂散电流动态分布模型。在所建立的杂散电流动态分布模型的基础上,提出一种杂散电流泄漏总量的计算方法。利用MATLAB软件,对不同牵引策略下的杂散电流动态分布模型进行仿真研究,可为杂散电流的腐蚀防护提供一定的理论参考。     

不均匀过渡电阻下地铁杂散电流分析

在地铁工程设计中,考虑钢轨对结构或对地的过渡电阻均匀会造成钢轨电位和杂散电流的泄露情况与设计不符.讨论杂散电流的产生、危害及其相关腐蚀机理,建立均匀电阻下直流供电系统杂散电流分布的数学模型;采用数学模型进行计算机仿真,对比分析不均匀过渡电阻下的杂散电流分布规律,对具体地铁工程钢轨电位和杂散电流引发的问题进行分析和研究.     

IGBT变频器的关断浪涌电压仿真分析及其抑制方法

对IGBT变频器关断浪涌电压产生机理进行分析,介绍采用吸收电路及减小主电路分布电感这两种抑制浪涌电压的方法,并通过实测与仿真进行验证。