IGBT智能模塊

　　上世紀80年代初，IGBT器件的研制成功以及隨后其額定參數的不斷提高和改進，為高頻、較大功率應用范圍的發展起到了重要作用，由于IGBT模塊具有電壓型驅動，驅動功率小，開關速度高，飽和壓降低和可耐高電壓和大電流等一系列應用上的優點，表現出很好的綜合性能，已成為當前在工業領域應用最廣泛的電力半導體器件。其硬開關頻率達25KHz，軟開關頻率可達100KHz.而新研制成的霹靂型（Thunderbolt）型IGBT，其硬開關頻率可達150KHz，諧振逆變軟開關電路中可達300KHz.

　　目前，IGBT封裝形式主要有塑料單管和底板與各主電路相互絕緣的模塊形式，大功率IGBT模塊亦有平板壓接形式。由于模塊封閉形式對設計散熱器極為方便，因此，各大器件公司廣泛采用。

　　另一方面，IGBT模塊生產工藝復雜，制造過程中要做十幾次精細的光刻套刻，并經相應次數的高溫加工，因此要制造大面積即大電流的IGBT單片，其成品率將大大降低。可是，IGBT的MOS特性，使其更易并聯，所以模塊封裝形式更適合于制造大電流IGBT.起初由于IGBT要用高阻外延片技術，電壓很難突破，因為要制造這樣高壓的IGBT，外延厚度就要超過微米，這在技術上很難，且幾乎不能實用化。

　　1996年日本多家公司采用<110>晶面的高阻硅單晶制造IGBT器件，硅片厚度超過300微米，使單片機IGBT的耐壓超過2.5KV，因此，同年東芝公司推出的1000A/2500V平板壓接式IGBT器件就是由24個80A/2500V的芯并聯組成。

　　1998年ABB公司采用在陽極側透明（Transparent）P+發射層和N-層緩沖層結構，使IGBT模塊的耐壓高達4.5KV，而該公司同年研發成的1200A/3300V的IGBT模塊就是由20個IGBT芯片和12個FWD芯片并聯制成。此后，非穿通（NPT）和軟穿通（SPT）結構IGBT的試制成功，使IGBT器件具有正電阻溫度系數，更易于并聯，這為高電壓、大電流IGBT模塊的制造只需并聯無需串聯創造了技術基礎。目前，已能批量生產一單元、二單元、四單元、六單元和七單元的IGBT標準型模塊，其最高水平已達1800A/4500V.圖2為300A/1700V IGBT模塊的電路圖，它是由4個160A/1700V IGBT芯片和8個100A/1700V快恢復二極管組成。

　　但是隨著模塊頻率的提高和功率的增大，內部寄生電感較大的一般IGBT模塊結構，已不能適應應用的需要。為了降低模塊內部的裝配寄生電感，使器件在開關時產生的過電壓最小，以適應調頻大功率IGBT模塊封裝的需要，ABB公司開發出一種如圖3所示的平面式低電感模塊（ELIP）的新結構，該結構與一般傳統結構的主要區別在于：

　　（1）它采用很多寬而簿的銅片重疊形成發射極端子和集電極端子，安裝時與模塊銅底板平行，并采用等長平行導線直接從IGBT發射極連到發射極端子上，而集電極端子則連到DBC板空間位置上，從而消除了互感，限制了鄰近效應，降低了內部寄生電感量；

　　（2）許多并聯的IGBT和FWD芯片都焊在無圖形的DBC板上，且IGBT的發射極和FWD的陽極上焊有鉬緩沖片，IGBT的柵極與柵極均流電阻鋁絲鍵合相連，這樣使芯片間的電流分布和整流電壓條件一致，有利于模塊芯片能在相同溫度下工作，大大提高了模塊出力和可靠性；

　　（3）模塊采用堆積式設計，把上下絕緣層、上下電極端子以及印制電路板相互疊放，并用粘合膠粘合在一起（粘合時要避免氣泡），能很好地隨溫度循環，無需考慮所謂焊應應力，即所謂的電極“S”形設計。

　　由于MOS結構的IGBT是電壓驅動的，因此驅動功率小，并可用IC來實現驅動和控制，進而發展到把IGBT芯片、快速二極管芯片、控制和驅動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護電路、箝位電路以及自診斷電路等封裝在同一絕緣外殼內的智能化IGBT模塊（IPM），它為電力電子逆變器的高頻化、小型化、高可靠性和高性能創造了器件基礎，亦使整機設計更簡化，整機的設計、開發和制造成本降低，縮短整機產品的上市時間。由于IPM均采用標準化的具有邏輯電平的柵控接口，使IPM能很方便與控制電路板連接。IPM在故障情況下的自保護能力，降低了器件在開發和使用的損壞，大大提高了整機的可靠性。（考試大編輯整理）