IGBT管是Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写,意为绝缘栅双极型晶体管。IGBT管是由BJT (双极型晶体管)与MOSFET(绝缘栅型场效应管)及其他电子元件构成的复合全控型电压驱动式电子器件。它不是绝缘栅型场效应管与双极型晶体管的直接组合,而是内置有相关电路,图1只是其中-类的等效电路,图2为常见IGBT管的电路符号。
一、IGBT管的特点
IGBT管综合了绝缘栅型场效应管高输入阻抗、高开关频率、低电压驱动、低开关损耗及双极型晶体管高耐压大电流的优点,所以IGBT管具有驱动电压低、饱和压降低(小于1.5V)、开关频率高(可达175kHz)、耐压高(可达1700V)、电流大(单管最高可达400A)、工作结温高(达150°C)等其他管不能具有的特点,故应用十分广泛。在交流电机、开关电源、电源功率因数校正、变频器、牵引|传动、不间断电源、风力和太阳能发电、照明电路电磁加热设备(电磁炉)、平板彩电、变频空调、机器人等众多领域都有它的身影。
IGBT管从20世纪80年代研制成功到现在已经历了6代。第1代IGBT管为穿通(PT)型,采用“平面栅”结构,其管芯设计在P型掺杂的外延晶片上,其发射极插人n_晶片层。第2代IGBT管为非穿通(NPT)型,仍采用“平面栅”结构其发射极未插人n_晶片层。
与第1代IGBT管相比,具有更低的开关损耗、更低的饱和压降、更短的关断时间、其关断下降时间与导通电阻均比第1代下降30%以上。
第3代IGBT管为沟槽(Trench)型,仍为“平面栅”结构,但栅极为竖直放置(第1、2代为水平放置),且与n衬底晶片层有一环形沟槽。这一结构可以进一步降低饱和压降和提高开关速率,其开关损耗比第2代又降低了20%。
第4代IGBT管为软穿通(SPT)型,是基于第2代IGBT“平面栅”结构的基础上,再进行优化组合,特地在n型晶片衬底下加了n叶缓冲层,并采用蚀刻模块单元微细化技术,使栅极宽度达到最佳化设计,这样管子通态饱和压降、开关损耗都比第3代要小,同时将PN结最高结温提高至175°C。第5代IGBT管为弱穿通(LPT)型,采用更先进的宽元胞间距设计,增加了n_晶层厚度,从而降低了栅极电荷容量,因而降低了管子开关驱动功率,并运用嵌入单元技术,增强了管子的耐短路能力。
第5代IGBT管的饱和压降均在1.5V以下,关断时间小于0.1ms。
第6代IGBT管实为IPM(即IGBT功率模块)。它是根据需要将若干个IGBT单管二极管或其他电子元件进行集成,作为一个单元功率电路封装在一起的元器件。它到少有3个及以上的引出脚,它是目前IGBT应用最广的元器件。
图3是三款简单的IPM内部电路(到目前为止,IPM已达数百种类型)。顺便指出,不少IPM内部还集成了过压、过流、过热等保护电路或保护传感器,从而保护模块不受损坏。模块工作驱动方式有直接和间接两种,所谓间接驱动就是通过光耦器或可控硅进行。随着技术的发展,IPM正朝着智能化、多功能化方向发展,应用前景十分广阔。
二、NPN型IGBT管的检测测量时应选择RX10k挡(因该挡内接有9V或更高电压的叠层电池,笔者用的是杭州U201指针式万用表,内附22.5V高压叠层电池),红表笔接c极,黑表笔接e极,正常阻值在数千欧姆到数百千欧姆之间(若G、e极内附保护二极管,则阻值为20Ω~30Ω),对调表笔后阻值为∞;e、G极间或e、G极间的正反向阻值均为∞;红表笔接e极,黑表笔接G极(触发G极)后,保持红表笔接e极不动,再将黑表笔从G极移至c极,阻值应下降至数十欧姆,对调表笔后阻值为∞(若c、e极内接保护二极管,则阻值比上述的20Ω~30Ω略有下降)。若测量结果与上述有较大差距,则说明被测管已损坏。
至于IPM的测量情况,只有在知道内部电路的情况下,才能测量。
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