电网用5200V压接式逆导IGBT模块

为了进一步增大功率密度、降低热阻,基于平面增强型U形IGBT元胞结构设计了一种优化芯片背面的逆导(RC)IGBT芯片。通过将RC-IGBT芯片柔性压接封装成模块,研究模块的高温动、静态性能和子模组的极限性能。通过在芯片正面增加n型载流子存储层结构和结型场效应晶体管(JFET)区注入降低正向导通压降(V_(CE,on)),通过在芯片背面逐渐减小n+区域宽度消除正向导通压降回跳现象。测试结果表明,该模块在125℃、3000 A下V_(CE,on)为3.18 V,反向导通压降(V_(F))为1.95 V。3400 V母线电压下,子模组IGBT能关断3.9倍额定电流,可以通过21 V栅压、10μs的一类短路极限测试;快恢复二极管(FRD)的反向恢复瞬时功率峰值达6 MW以上,并可通过峰值电流达23倍额定电流(11.5 kA)的浪涌测试。相比同类产品,该RC-IGBT模块静态性能和极限性能均具有明显优势,能应用于大电流复杂工况的电网环境中。

逆导型IGBT电压回跳现象在电路应用中的影响分析

逆导型IGBT(RC-IGBT)是一种新型功率半导体器件,实现了IGBT和续流二极管的片内集成,具有体积小、成本低、功率密度高、正温度系数、良好的功率循环能力和关断特性等诸多优势。RC-IGBT正向导通时存在电压回跳现象,建立物理模型详细分析其产生机理及影响因素,得出了缓冲层掺杂浓度是决定回跳电压大小的重要因素。进一步通过控制变量法,利用TCAD仿真软件,从导通特性、并联均流特性和开关特性三个方面详细测试,分析了具有不同程度回跳现象的RC-IGBT在实际电路应用中的影响。通过合理的参数选择,可将回跳电压控制在可接受的范围内,并提高了器件的综合性能,为RC-IGBT设计优化和实际应用提供了有价值的参考和理论指导。

应用逆导型IGBT二极管退饱和控制的单相牵引变流器

与普通IGBT模块不同,逆导型IGBT(RC-IGBT)在同一个芯片上集成了二极管与IGBT,增强了相同封装面积的电流承受能力。同等电气参数和封装尺寸下,RC-IGBT芯片数量减少,模块通流能力和散热性能大大提高。对RC-IGBT的集成二极管进行退饱和控制,可以明显降低二极管的反向恢复损耗。该文在牵引变流器上施加二极管退饱和脉冲控制,以实现PWM整流输出工况下RC-IGBT总损耗降低。分析了加入退饱和脉冲控制的牵引变流器的工作原理以及损耗计算方法,并通过仿真计算证明了该方法可比普通IGBT更有效地降低损耗,即使用RC-IGBT并采用二极管退饱和控制的牵引变流器,相比普通IGBT变流器,电流耐受力更高,温升和散热特性更好。

逆导型IGBT发展综述

该文概述垂直型RC-IGBT自发明以来的主要发展和当前的主要研究问题,包括:IGBT正向输出特性的Snap-back抑制、RC-IGBT关断及二极管反向恢复动态波形优化、器件纵向漂移区载流子浓度分布优化、器件横向载流子密度及电场分布均匀性优化、器件工作时的温度特性、工艺问题及器件仿真问题等。文中同时简要介绍ABB、英飞凌、三菱及富士推出的最新一代逆导型IGBT器件的器件特性及结构特征。

新型半超结逆导IGBT的导通机理分析

本文对半超结逆导IGBT这一新型结构的导通机理进行分析。通过SilvacoTCAD软件仿真验证,半超结RC-IGBT的耐压能力、正反向导通能力都明显优于传统RC-IGBT。详细分析了电荷不平衡效应对器件耐压能力的影响,并给出了N/P-柱掺杂浓度合理的取值范围。此外提出由于半超结RC-IGBT器件内寄生PNP三极管与传统RC-IGBT寄生三极管大不相同,电导调制效应主要发生在N/P-柱以下的漂移区内,也正是因为其特殊的导通机理使得半超结技术对解决负阻效应具有重要意义。

一种新型无电压折回现象的超结逆导型IGBT

提出了一种新型无电压折回现象的超结逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT),并基于Sentaurus TCAD进行了电学特性仿真。提出的超结RC-IGBT通过超结的P柱将集电极N+区域与P+区域隔开,消除了传统超结RC-IGBT正向导通时存在的折回现象。与传统超结RC-IGBT结构相比,在导通电流密度为100 A/cm^(2)时,新结构的正向导通压降减少了20.9%,反向导通压降减少了20.7%,在相同正向导通压降(1.55 V)下,新结构的关断损耗降低了19.9%。

逆导型沟槽FS IGBT的设计与实现

逆导型沟槽场终止绝缘栅双极型晶体管(RC Trench FS IGBT)是一种新型的功率半导体器件,具有成本低、体积小、可靠性高等优点。设计并实现了一款1 200 V逆导型沟槽FS IGBT。重点研究了逆导型绝缘栅门极晶体管(RC IGBT)特有的回扫现象,以及如何从结构设计上消除回扫现象,其次,对RC IGBT在不同的载流子寿命下,进行了开关特性、反向恢复特性的仿真。研究结果发现随着载流子寿命的降低,其开关时间、反向恢复特性都有一定程度的改善。依据器件的最优化设计进行了流片。测试结果验证了不同设计对电流回扫现象的影响,以及不同少子寿命下导通特性和反向恢复特性的变化规律,器件的性能得到优化。

逆导型IGBT技术发展综述

由于逆导型IGBT（RC-IGBT）具有尺寸小、功率密度高、成本低等诸多优点,因此引起人们的广泛关注和研究。侧重适用于电网应用的高压器件,回顾了RC-IGBT的技术发展,包括原始结构和工作原理、回跳问题的解决、背面掺杂优化、二极管性能优化等方面的内容。基于引导IGBT区结构,还进一步综述了RC-IGBT的功耗优化、关断软度、短路坚固性、二极管浪涌电流和温度特性等性能优势。各方面的技术进步,有望使RC-IGBT在包括电网应用的各种领域中充分发挥其性能优势。

为什么逆导型IGBT可以用于大功率CCM模式PFC电路

对于功率因数校正(PFC),通常使用升压转换器Boost拓扑结构。它可以最大限度地减少输入电流的谐波。同时IGBT是大功率PFC应用的最佳选择,如空调、加热、通风和空调(HVAC)以及热泵。理论上,在连续导通模式(CCM)下,通过IGBT反向续流永远不会发生。然而,在轻负载或瞬态条件下,由于升压电感Lboost和IGBT的输出电容Coss之间的共振,会有反向电流流过。

应用于车载变流器的RC-IGBT工作特性

逆导型IGBT(RC-IGBT)是将IGBT功能与续流二极管功能集成在一个芯片上,实现了在相同封装体积下,可获得更大的功率密度,由于IGBT与二极管紧密的移相热耦合,在相同散热条件下,RC-IGBT允许的工作结温更高。同时,RC-IGBT的本征二极管还受到栅极电压控制,通过栅极电压控制策略,可以降低器件损耗,优化系统特性。介绍了RC-IGBT的基本工作原理和二极管退饱和控制特性,研究了RC-IGBT应用于变流器系统的损耗优化控制策略,分析了应用RC-IGBT的单相脉宽调制(PWM)整流器的工作特性与损耗特性。通过一个具体的应用工况运行仿真,分析对比了RC-IGBT和普通IGBT在PWM整流器应用中的损耗特性。结果显示,应用RC-IGBT后总体损耗有所降低,验证了RC-IGBT退饱和脉冲控制的有效性。

具有三明治集电极结构的新型无电压回跳半超结RC-IGBT

提出了一种具有三明治集电极结构的半超结RC-IGBT(SSS-RC-IGBT),该结构通过在N+buffer层和P+/N+集电区之间引入高阻N-layer,增大了集电极短路电阻。通过引入集电极侧的半超结,减小了漂移区的电阻,从而消除了器件的电压回跳现象。Sentaurus仿真结果表明,本结构中N/P柱的柱深为70μm,N/P柱的掺杂浓度为3×10^15 cm^-3。高阻N-layer的厚度为5μm,掺杂浓度为5×10^13cm^-3时,器件不会发生电压回跳现象。由于所提出的器件能够完全开启且具有更高的注入效率,器件正向导通压降降低了9.7%。在正向导通电流密度为100 A/cm^2的条件下进行关断时,器件的关断损耗降低了30.6%。同时,器件具有更优的Vce-Eoff折中特性和反向恢复特性。

半超结抑制RC-TIGBT Snapback效应机理与仿真

首次对半超结RC-TIGBT与传统RC-TIGBT的正向导通机理进行了比较研究。通过Silvaco TCAD软件仿真,模拟研究了Ydrift值、P-集电区宽度与N+短路区宽度等关键参数对Snapback效应的影响。结果表明,回退电压点随着Ydrift的减小而减小,且与Ydrift呈线性关系。对于底部集电极尺寸而言,回退电压点与P-集电区宽度有关,与N+短路区宽度基本无关。基于仿真结果,给出半超结RC-TIGBT的等效电路,并详细分析了半超结技术能抑制Snapback效应的原因。最后,对半超结RC-TIGBT的结构参数进行设计,提出一种能减小Snapback效应的有效方法。

逆导型非穿通绝缘栅双极晶体管仿真

仿真了逆导型(RC)非穿通-绝缘栅双极晶体管(NPT-IGBT)的器件结构及其"折回效应"现象的I-V特性曲线,研究了一些器件重要结构参数(背面阳极n+区域与p+区域尺寸比例Ln/Lp以及n-漂移区厚度)对所仿真的逆导型NPT-IGBT器件电流"折回效应"的影响。用"MOSFET+pin二极管"等效电路模型分析了仿真结果中得到的结论。结果表明,Ln/Lp与n-漂移区厚度对"折回效应"幅度影响显著。在n-漂移区厚度为60μm时,Ln/Lp尺寸比例在5/11和2/14(μm/μm)之间,"折回效应"幅度较低,并且反向二极管具有导通能力,可以成为对应RC-NPT-IGBT的工艺窗口;在n-漂移区厚度达到150μm时,"折回效应"接近消失,Ln/Lp尺寸比例可以有更宽的选择。

IGBT向大容量演变的若干问题

介绍了迄今为止演变出的五代IGBT产品的特点,指出IGBT今后的发展趋势和需要进一步解决的问题。

采用TCAD改善功率开关特性的仿真教学

为了实践我国新工科教育和成果导向教育,教学模式和教学内容需要做出相应的更新。针对“电力电子技术”课程中功率开关部分授课内容和授课手段比较薄弱的现实问题,以逆导型IGBT的物理结构、开关特性以及抑制电压回跳现象为例,给出采用计算机辅助分析软件Silvaco TCAD辅助分析功率开关特性的教学手段,并邀请有经验的研究生课上和课下示范讲解软件使用规范和技巧,激发学生的学习兴趣和热情。

基于灰色理论的风机变桨距驱动器故障预测

为了提高风力发电系统中的变桨距驱动器的可靠性,提出了以检测IGBT导通压降为基础,采用新息灰预测算法的变桨距驱动器故障预测方法.利用IGBT导通压降的历史数据建立GM(1,1)灰预测模型,对IGBT将来时刻的导通压降进行预测,一旦IGBT预测导通压降超过阈值,系统报警并收桨.采用等维新陈代谢算法,根据实际情况随时更新数据序列,以保证预测模型的新鲜度.提出自动变步长灰预测方法,并通过实验数据得出选取步长的经验公式.设计了IGBT导通压降检测电路,该电路抗干扰能力强、反应速度快,而且结构简单、可靠性好.实验结果表明,等维新陈代谢灰预测算法可有效预测出IGBT导通压降,提高了风机收桨的可靠性.

开关损耗与温升的PLECS仿真分析

借助仿真分析工具可验证理论分析的正确性,还能为实验研究过程提供有价值的经验。为培养知识全面型人才,电气工程专业学生应学会使用电磁热多域仿真软件,分析电力电子变换电路控制系统与功率器件的电、热特性。以双边LCC谐振网络无线输电系统中SiC功率MOSFET、逆导型开关(RC-IGBT)为例,基于热传导理论和连续网络热路模型(Cauer模型),给出如何采用PLECS进行功率器件热建模、损耗分析和温升计算。