igbt发展历史

IGBT驱动芯片IXDN404应用及改进朱选才，周惠升浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027）摘要介绍了IXYS公司大功率IGBT驱动芯片IXDN404的特点及性能，并在此基础上，根据IGBT驱动的实际要求，设计出了一种具有过流保护及慢关断功能的简单有效的驱动电路，给出了实际电路图和驱动波形。关键词IGBT；驱动与保护；IXDN4040引言绝缘栅晶体管IGBT是近年来发展最快而且很有前途的一种复合型器件，并以其综合性能优势在开关电源、UPS、逆变器、变频器、交流伺服系统、DC/DC变换、焊接电源、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。然而，在其使用过程中，发现了不少影响其应用的问题，其中之一就是IGBT的门极驱动与保护。目前国内使用较多的有富士公司生产的EXB系列，三菱公司生产的M579系列，MOTOROLA公司生产的MC33153等驱动电路。这些驱动电路各有特点，均可实现IGBT的驱动与保护，但也有其应用限制，例如驱动功率低，延迟时间长，保护电路不完善，应用频率限制等。本文，以IXYS公司生产的IGBT驱动芯片IXDN404为基础，介绍了其特性和参数，设计了实际驱动与保护电路，经过实验验证，可满足IGBT的实际驱动和过流及短路时实施慢关断策略的保护要求。1IXDN404驱动芯片简介IXDN404为IXYS公司生产的高速CMOS电平IGBT/MOSFET驱动器，其特性如下高输出峰值电流可达到4A；工作电压范围45V25V；驱动电容1800PF15NS；低传输延迟时间；上升与下降时间匹配；输出高阻抗；输入电流低；每片含有两路驱动；输入可为TTL或CMOS电平。其电路原理图如图1所示，主要电气参数如表1所列。图1IXDN404电路原理图表1IXDN404主要电气参数符号参数测试条件最小值典型值最大值单位VIH输入门限电压，逻辑135VVIL输入门限电压，逻辑008VVOH输出电压，逻辑1VCC0025VVOL输出电压，逻辑00025VIPEAK峰值输出电流VCC18V4AIDC连续输出电流VCE18V1ATR上升时间C11800PFVCC18V111215NSTF下降时间C11800PFVCC18V121417NSTOND上升时间延迟C11800PFVCC18V333438NSTOFFD下降时间延迟C11800PFVCC18V283035NSVCC供电电压451825VICC供电电流VINVCC10A2驱动芯片应用与改进图2为IXDN404组成的IGBT实用驱动与保护电路，该电路可驱动1200V/100A的IGBT，驱动电路信号延迟时间不超过150NS，所以开关频率图2由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路图1IXDN404电路原理图可以高达100KHZ。可应用于DSP控制的高频开关电源、逆变器、变频器等功率电路中。根据IXYS公司的使用手册，IXDN404仅能提供0VCC的驱动脉冲。我们在此基础上，增加51V稳压二极管Z3以实现5V偏置电压；由稳压管电压为光耦6N137和反相器CD4069供电，节省了一路驱动电源；增加降栅压及慢关断保护电路，实现IGBT的保护功能；降栅压及慢关断电路是通过控制IXDN404供电电压VCC来实现的，明显不同于其它保护电路的前级降压控制方式。下面介绍其工作原理。图2由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路21正常开通过程当控制信号为高电平时，快速光耦6N137导通，经过一级反相，输入IXDN404，输出15V脉冲，IGBT正常导通。同时，由于光耦输出为反相，V4截止，V5导通，C1由电源充电，C1电压不会超过9V，这是因为IGBT正常导通时VCES不高于3V，二极管D2导通，A点电位箝位在8V，加上电阻R10的压降，C点电位接近9V。Z1截止，V2截止，V1导通，B点电位接近20V；Z2截止，V3截止，D点电位接近B点电位。C1充电时间常数1R9C1242S，C1充电到9V的时间为T11LN145S（1）22正常关断过程当控制信号为低电平，光耦输出高电平，反相输出低电平，由于Z3箝位IXDN404输出脉冲为5V，IGBT正常关断。这时，V4导通，V5截止，C点电位保持在9V；Z1截止，V2截止，V1导通，B点电位接近20V；Z2截止，V3截止，D点电位接近B点电位。23保护过程设IGBT已经导通，各点电位如21所说。当电路过流时，IGBT因承受大电流而退出电阻区，VCES上升，二极管D2截止，A点对电容C1的箝位作用消失；C点电位从9V上升，同时Z1反向击穿，V2导通，V1截止，B点电位由R1和RC以及IXDN404芯片内阻分压决定，箝位在15V，栅压降为10V。栅压的下降可有效地抑制故障电流并增加短路允许时间。降栅压运行时间为T21LN109S（2）如果在这段时间内，电路恢复正常，D2导通，A点继续箝位，V2截止，V1导通，电路恢复21所说状态。如果D2仍处于断态，也就是故障电流仍然存在，C点电压继续上升，经过T2时间上升到13V，Z2反向击穿，V3导通，电容C2通过电阻R12放电，D点与B点电位同时下降，IGBT栅压逐渐下降，实现慢关断过程，避免了正常关断大电流时所引起的过电压。慢关断过程时间为T3，由C2和R12决定。由IXDN404工作电压范围为4525V，2R12C2484S，可知T32LN583S（3）另外，在IGBT开通过程中，如果二极管D2不能及时导通，将造成保护电路的误动作，因此D2要选择快速二极管，也可通过适当增加Z1稳压值和增大电阻R9以增大C1充电时间常数延长保护电路动作时间。但这与保护动作的快速性相矛盾，具体应用时要根据实际电路要求和功率器件的特性作出折中的选择。24几点说明1）为使驱动功率达到最大，本电路将两路输入输出并联使用，最大驱动峰值电流可达8A，这个峰值电流是由电容CC瞬间放电产生；2）光耦6N137输出为输入反相，IXDN404为同相输入输出，为保证控制逻辑正确，中间需加一级反相器，也可采用带反相的IXDI404；3）图2中可在E点处加入一个光耦，其输出可作为短路保护信号送给控制逻辑，以封锁本路及其它各路的PWM信号，确保主电路安全；4）IXDN404驱动电路对脉冲信号非常敏感，实际操作时要保证连线尽量短，输出要用双绞线接IGBT，电路所用元器件也可采用贴片式，既缩小驱动电路体积，也提高了工作稳定度。图3为实测IGBT的门极驱动信号，其中通道1为输入控制信号，通道2为输出驱动信号。所用IGBT为仙童公司HGTG18N120BND。从图中可以看出驱动电路延迟时间仅为100NS。其中图3（D）为模拟IGBT过流时的保护波形，首先降栅压运行，然后慢关断，最后由于低电压供电，IXDN404输出驱动电压封锁在2V左右。（A）100KHZ时的驱动波形（B）100KHZ时的上升过程（C）100KHZ时的下降过程（D）20KHZ时保护波形图3电路实测驱动波形3结语由IXDN404组成的IGBT驱动与保护电路可满足IGBT驱动要求，其特点可归纳如下驱动电源20V单路供电，驱动栅压15V5V；最大驱动峰值电流可达8A，满足大功率IGBT驱动要求；电路信号延迟时间短，工作频率可以达到100KHZ或者更高，可适应大多数电路需要；可实现过流保护及降栅压慢关断功能；电路成本相对较低。综上所述，这种驱动保护电路是一种低成本、高性能的IGBT驱动电路。作者简介朱选才（1980），男，硕士研究生，主要研究方向为高功率密度电源。周惠升（1978），男，博士研究生，主要研究方向为复合材料飞轮储能。2010中国IGBT市场与产业研究报告出版日期2009年12月售价9000元内容预览本研究报告在IGBT基础知识、制造工艺和IGBT器件发展介绍的基础上，以中国IGBT市场与产业发展为主线，在后经济危机时代中国扩大基础措施建设、大力推进节能环保的政策引导之下，分析了中国IGBT主要细分领域应用市场的发展趋势，并预测了未来几年中国IGBT市场发展规模，并就当前热点应用领域进行了阐述；产业分析部分，主要结合当前中国IGBT产业环境及发展态势，通过广泛的产业调研，以IGBT产业链为基础，对中国IGBT产业现状及产业发展模式进行了研究分析。报告第六章则介绍了全球及中国主要的IGBT企业发展、现状及产品类别等，对国内部分企业的发展现状进行了详细的叙述。图120042011年中国IGBT市场规模及预测数据来源MCC，2009/12报告给出了中国近几年IGBT市场规模统计和预测数据，如图1所示。2009年中国IGBT市场总体规模将达到368亿元，较2008年增长123。未来几年，随着IGBT在节能、变频领域应用的进一步扩大，中国IGBT市场继续以较快的速度增长，预计到2011年中国市场IGBT产业规模达到602亿元。IGBT产业方面，近两年来中国在政府的大力鼓励及市场驱动之下，涌现出了如科达、凤凰半导体等一些IGBT设计企业，其中部分厂商IGBT芯片已经流片成功，正处于客户试样阶段；IGBT芯片前道制造目前国内有上海先进、贝岭、华润华晶等模拟晶圆厂商可以流片，方正微电子、吉林华微等也在积极开发IGBT技术工艺；后端模组封装方面，威海新佳、南京银茂、斯达半导体、厦门宏发、江苏宏微等在工业焊机、切割机等应用领域已经有一定市场份额。IGBT等相关功率节能产品已经被列为国家重点扶植产业，随着市场需求的进一步扩大，中国众多IGBT项目暗潮涌动。图2为中国最新的IGBT企业分布图。图2中国IGBT产业企业的分布资料来源MCC，2009/12报告目录第一章IGBT概述11IGBT的基础12IGBT的发展121功率分立器件的发展122IGBT的发展历程第二章IGBT工艺技术及器件发展21IGBT芯片制造及器件的演变22IGBT工艺流程及工艺介绍23IGBT芯片生产线设备组成第三章IGBT市场分析31全球IGBT市场分析错误未定义书签。311全球功率半导体市场312全球IGBT市场32中国IGBT市场321中国IGBT市场规模及预测322中国IGBT产品结构323中国IGBT应用领域3231电磁炉3232数码相机3233变频家电3234不间断电源3235IGBT逆变焊机及切割机等第四章IGBT应用新领域41光伏产业411光伏逆变器产业发展412IGBT在光伏逆变中的应用413国内逆变器的产业现状42智能电网421智能电网定义及发展422IGBT在智能电网的应用423中国智能电网发展第五章中国IGBT产业状况分析51中国IGBT产业现状52中国IGBT产业链521IGBT设计522IGBT制造523IGBT封装53中国发展IGBT的产业环境54中国在建和拟建IGBT项目第六章重点IGBT企业61国际主要IGBT企业状况英飞凌INFINEONABB半导体公司意法半导体（STMICROELECTRONICS）赛米控SEMIKON国际整流器（INTERNATIONALRECTIFIER）飞兆半导体FAIRCHILD富士电机（FUJI）东芝（TOSHIBA）三菱电机（MITSUBISHI）62中国主要IGBT企业状况西安电力电子技术研究所科达半导体无锡凤凰半导体比亚迪天津中环半导体嘉兴斯达半导体威海新佳电子江苏宏微科技南京银茂微电子南车时代电气附录缩略语对照表图目录图11IGBT的结构示意图图12IGBT的工作原理图图13IGBT等效结构示意图图14IGBT器件分类图15IGBT的应用领域图16功率器件的分类图17功率分立器件的发展图18功率分立器件的比较图19功率分立器件的特性图110IGBT的发展图21IGBT表面栅结构对照图22软沟槽IGBT结构图23IGBT芯片垂直结构示意图图24IGBT硅片厚度进展图25PT型平面IGBT工艺流程图图26NPT型IGBT工艺流程图图27IGBT基本封装工艺流程图28IGBT模块构架示意图图31全球功率半导体市场规模及预测（20022011，亿美元）图32全球IGBT市场规模及预测（20022011，亿美元）图33全球IGBT需求量及预测（20022011，亿个）图34中国IGBT市场规模及预测（20042011，亿元）图35中国IGBT市场需求及预测（20042011，亿颗）图36中国市场IGBT产品结构需求及预测（20042011，亿颗）图37中国分立IGBT市场需求变化及预测（20042011，亿颗）图38中国市场模组IGBT芯片需求变化及预测（20042011，亿颗）图392009年中国IGBT市场结构图310IGBT的应用分类图311IGBT在所应用领域的价格和市场规模图图3122009年中国IGBT应用市场结构图313IGBT模块应用电路结构图314IGBT在电磁炉中的应用图315中国电磁炉用IGBT市场规模及预测（20042011，亿元）图316中国电磁炉用IGBT市场需求量及预测（20042011，万颗）图317数码相机闪光灯电路图318中国数码相机用IGBT市场规模及预测（20042011，亿元）图319中国数码相机IGBT市场需求（20042011，万颗）图320中国变频家电IGBT市场规模及预测（20042011，亿元）图321中国变频空调IGBT市场规模及预测（20042011，亿元）图322中国变频空调IGBT需求及预测（20042011，万颗）图323在线式UPS电源主电路图324中国UPS用IGBT市场规模及预测（20042011，亿元）图325中国UPS用IGBT市场需求及预测（20042011，万颗）图326中国逆变焊机及切割机类IGBT市场规模及预测（20042011，亿元）图327中国逆变焊机及切割机类IGBT需求及预测（20042011，万颗）图41全球光伏逆变器市场规模发展（欧元）图42中国市场光伏装机量发展变化（MW）图43典型的光伏逆变器结构图44光伏逆变技术的发展图45光伏逆变器零部件组成（2KV）图51中国IGBT企业分布图52中国IGBT产业链图61全球主要IGBT企业分布图62英飞凌在全球的制造基地图63ABB一个HIPAKIGBT模块剖面图图64意法半导体功率器件功耗发展比较图65意法半导体IGBT产品ROADMAP（20092011）图66IR公司FETS饱和电压的正温度系数以及矩形状的反向偏置安全工作区RBSOA。NPTIGBT关键参数列于表一。软穿通技术1，如图1B所示，在N基片下有一附加的N缓冲区层。当N基片减至最薄时N缓冲区会阻止器件发生“穿通型”击穿。因此SPTIGBT能够比NPTIGBT使用更薄的衬底。在基片的顶部生成一个标准的平面MOSFET门极。SPTIGBT变薄的N基片使得和NPTIGBT相比，其通态电压更低，开关损耗更小。图1不同技术的IGBT芯片结构SPTIGBT的开关性能也得到优化关断时电压为线性上升，低的过冲电压，短而小的尾电流以及下降段和末尾段之间的平滑过度。开关损耗也很低。和标准NPTIGBT比较，在芯片面积以及热阻几乎不变的情况下，饱和电压特性却改进了。表1不同IGBT芯片的主要特性PARAMETERNPTTRENCHFSSPTUNITIGBTIGBTIGBT25251720V125302023VVCESATTEMPERATURECOEFFICIENTPOSITIVEPOSITIVEPOSITIVEEONEOFF125PER100A282521MJRELATIVECHIPSIZE10070100GATEPER100A8507001000NCCHARGEPER100MM2CHIPAREA530700620NC沟道场截止TRENCHFS技术2也是在N基片底部附加一层N层，同时上述结构中还嵌入了一个深的沟道门极。这种优化的门极结构和底部发射极在N基片中形成一块优化的矩形状等离子层。这种特殊结构使TRENCHFSIGBT和NPTIGBT相比饱和电压下降30，芯片尺寸约为原先的70，因此电流密度大大提高，然而产生的副效应就是热阻变大。与SPTIGBT相比，加工TRENCHFSIGBT需要更复杂的工艺，可是对同样厚度的这样两片芯片，TRENCHFSIGBT所需的硅材料就少多了芯片面积减小。表1中列出了TRENCHFSIGBT和SPTIGBT的主要参数。与当前普遍使用的NPTIGBT相比，两者的性能都得到了显著的改进，但又各有所长TRENCHFSIGBT的通态电压更低，SPTIGBT的开关损耗最小，更适合于高开关频率下的应用。这两种IGBT都能够承受瞬时短路至少10S，动态稳定性也不错。图2CAL二极管作为续流二极管3使用CAL二极管作为续流二极管SEMIKRONCAL受控轴向载流子生存周期二极管使用深度掺杂N的N衬底做基片图2。在阳极一侧，P保护环被掺杂已达到1200V或更高的阻断电压。通过特别的离子注入技术可使复合中心形成预定的轴向分布图3。用此技术制造的二极管具备很高的稳定性，它能工作在关断时DIF/DT特别大高达15KA/SCM2的工况下，因此非常适合做快速开关IGBT特别是阻隔电压在1200V或以上的续流二极管。CAL二极管具备软恢复特性，而且该特性和电流大小及其他条件无关。电路设计时该特性可使我们简化EMI兼容性方面的考虑，而且在整个电流和温度范围内反向恢复电流的跳变也消除了。反向电流的逐渐减小也使得反向电压峰值变小。此外，CAL二极管关断能耗很低。小反向峰值电流有助于减少相对应IGBT的开通损耗。因此这种类型的二极管与SPTIGBT能良好的匹配，两者的结合构成的IGBT开关器件表现出优越的开关性能和很低的开关损耗。4TRENCHFSIGBT使用的CALHD二极管因为TRENCHFS芯片的高电流密度，TRENCHFSIGBT芯片组封装在功率模块封装里可以获得更大的额定电流。然而，如果续流二极管的尺寸不做相应调整，IGBT电流的提高是相当有限的，因此二极管也需要具有高电流密度和低的正向导通电压。图3CAL和CALHD二极管芯片的通态特性通过控制轴向载流子生命周期，使用前面描述过的CAL技术可以获得上述问题的解决方案。新的CALHD高密度芯片和图2的结构基本上相同，但是复合中心的轴向分布图做了修改4。该修改使正向导通电压大大降低图3。因此，对一额定的电流等级，芯片尺寸可以减小，通态电压的温度系数也得到改进，在额定电流附近变成正的，这是一个有用的特性，当电流大于单管的额定电流而需要二极管并联使用时可以自动获得均流功能。在小电流段，尽管温度系数稍微接近负值，但相对于现存的CAL二极管，该参数值在二极管并联使用时不再对电流均流起关键影响。人们正在深入研究几十个CALHD芯片的并联使用，以期望根据正向通态电压对芯片进行预选的工序可以省却。目前在二极管并联使用的场合CAL芯片是需要预选的。图4逆变电路中CAL和CALHD二极管的损耗新的CALHD二极管采纳了CAL二极管的软恢复特性，反向峰值电流只稍微高一些，即使在很低电流的情况下，反向峰值电流也不变。在UDC900V，DIF/DT值超过10KA/SCM2下的实验成功表明高的动态稳定性使得该种二极管适合高开关频率的运用。图5使用CAL和CALHD二极管时逆变电路最大输出电流为了比较在逆变运行条件下CALHD和CAL二极管的负载电流能力，我们进行了仿真实验。根据图3的的正向导通特性，我们计算了在三相逆变电路中同样芯片面积两者都是61MM2的做续流用的这两种二极管的损耗，结果见图4。仿真使用了下面的实验测试的损耗数据在UDC600V，IF100A，结温设定为125的情况下CAL和CALHD的损耗分别是533MJ和706MJ。在二极管最高允许结温不超过125的条件下，这两种二极管的最大输出电流见图5。图6含由不同IGBT/FWD芯片组构成的模块的逆变电路的损耗我们发现在8KHZ以前，CALHD二极管的输出电流都比CAL二极管大，因此它能更好地匹配TRENCHFSIGBT。5逆变电路中损耗和输出电流SPTCAL和TRENCHFS/CALHD这两种搭配的芯片组被封装入标准的SEMITRANS模块SEMITRANS3，衬底面积6141064MM2。图6给出了当这两种器件用在三相逆变电路中时各自的全部损耗。为比较起见，图中也给出了NPT模块也使用可获得的最大基片截面积的数据。将上述三种模块安装在截面为P16长360MM，RTHHA0030K/W的散热器上，图7给出了由这三种模块构成的逆变电路的最大输出电流。三曲线的交点表明TRENCHFSCALHD芯片组在低频段输出电流能力强一些，而同尺寸的SPT/CAL芯片组在高频段电流输出更大。图7同样的模块封装不同芯片组的输出电流在全部频段内，SPT/CAL相对于标准的NPT/CAL模块输出电流约提高20，而TRENC