IGBT开通时间与关断时间的工作特性
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在工业生产过程中,变频器是一种常见的电力设备,其稳定性和可靠性对生产过程至关重要。然而,在实际使用过程中,我们可能会遇到变频器的IGBT频繁损坏的问题。这不仅会影响生产进度,还会增加维修成本。那么,变频器IGBT频繁损坏的原因是什么呢?又该如何解决这个问题呢?
首先,我们需要了解IGBT的工作特性。IGBT是一个发热源,其导通与关断都需要损耗,损耗越大,发热量自然就会越多。而IGBT的开通与关断并不是瞬间完成的,有开通时间与关断时间。驱动电压低时,IGBT会处于微导通状态,管压降就会增大,驱动电压过低时,IGBT在正驱动作用下,并不会导通,而会工作在放大状态,此时的IGBT功率会非常大,秒烧IGBT是有可能的。因此,当我们发现变频器的IGBT频繁损坏时,首先需要检查的是开关电源。因为IGBT的开通与关断是受驱动电路控制的,而驱动电源是由开关电源提供的。若开关电源故障,导致驱动电压过低,造成IGBT烧坏是非常有可能的。为了验证这一怀疑,可以在变频器空载的运行模式下,测量IGBT的正向驱动电压,若低于10V,就要对开关电源进行检查或是更换了。
然而,更换开关电源并不是一件简单的事情。现在的设备,集成化程度越来越高,什么都往一块板上凑。一方面技术高度保密,好不让同行窃取,另一方面就是想着法的让客户更换新板。因此,我们在遇到变频器IGBT频繁损坏的问题时,不仅需要具备一定的专业知识,还需要有足够的耐心和毅力。总的来说,变频器IGBT频繁损坏的原因可能有很多,但大多数情况下,都与开关电源有关。因此,我们在解决这一问题时,应首先从开关电源入手。同时,我们也需要提高自己的专业技能,以便更好地应对各种复杂的问题。
在电子领域,双极结型晶体管BJT和MOS管是应用最为广泛的元器件。然而,IGBT,这一绝缘栅双极型晶体管的融合体,正逐渐成为新的佼佼者。它结合了BJT的输入特性和MOS管的输出特性,不仅提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益,还具备更高的工作电压和更低的MOS管输入损耗。
1. 最大额定电压:这是指在正常工作条件下,IGBT能够承受的最大集电极-发射极电压。超过这个电压可能导致器件损坏。
2. 最大额定电流:这是指在正常工作条件下,IGBT能够承受的最大集电极电流。超过这个电流可能导致器件过热或损坏。
3. 最大额定功率:这是指在正常工作条件下,IGBT能够承受的最大功率。超过这个功率可能导致器件过热或损坏。
4. 开关速度:IGBT的开关速度指的是从导通到截止(或反之)所需的时间。快速的开关速度有助于减少功率损耗和提高效率,但过快的开关速度可能会增加电压和电流的瞬态压降,导致器件损坏。
那么,究竟什么是IGBT呢?它是一种三端半导体开关器件,简称绝缘栅双极晶体管,广泛应用于各类电子设备中,实现高效快速开关。IGBT在放大器和脉冲宽度调制(PWM)处理复杂波形方面发挥着关键作用。其结构独特,输入侧类似于具有栅极端子的MOS管,而输出侧则类似于具有集电极和发射极的BJT。其中,集电极和发射极作为导通端子,而栅极则是控制开关操作的关键控制端子。
接下来,让我们进一步探索IGBT的内部构造。首先映入眼帘的是,最接近集电极的区域是由(p+)衬底,也就是注入区所占据。其上则是N漂移区,包含N层,负责将大部分载流子(空穴电流)从(p+)注入N-层。值得注意的是,漂移区的厚度对IGBT的电压阻断能力产生直接影响。再往上,是主体区域,由(p)基板构成,它紧邻发射极,内部还设有(n+)层。注入区与N漂移区之间的连接点标为J2,而N-区域与主体区域之间的结点则称为结点J1。值得一提的是,IGBT的结构在某种程度上类似于“MOS”栅极的晶闸管。然而,晶闸管的动作和功能是可抑制的,仅在IGBT的工作范围内允许晶体管动作。这使得IGBT相较于晶闸管更为出色,后者在等待过零时的快速切换特性不及前者。
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在变频器中扮演着核心的角色,其工作原理和作用对于变频器的性能至关重要。首先,我们来了解IGBT的工作原理。IGBT由栅极(G)、发射极(E)和集电极(C)三个极控制。其开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通。反之,加反向门极电压会消除沟道,切断基极电流,使IGBT关断。这一过程的控制非常关键,它决定了IGBT能否稳定、高效地工作。
我们探讨IGBT在变频器中的作用。变频器是一种电力电子装置,主要用于改变交流电源的频率和电压,以满足不同负载的需求。IGBT作为变频器内部的核心部件,其主要作用是将直流电转换为交流电,供电机使用。通过精确控制IGBT的开关状态,变频器可以实现电源频率和电压的灵活调节,从而满足各种复杂负载的需求。
IGBT还具有高可靠性、驱动简单、节能、安装维修方便、散热稳定、开关频率高等特点。这些特性使得IGBT在变频器中能够稳定运行,并且能够提高变频器的整体性能和效率。IGBT的开启与关闭完全取决于其栅极端子的激活状态。当正输入电压施加于栅极时,发射极驱动电路将保持开启状态;而当栅极端电压为零或略为负时,电路则会被关闭。由于IGBT兼具BJT和MOS管的特点,其放大量表现为输出信号与控制输入信号之间的比率。对于传统的BJT,增益量与输出电流与输入电流的比率相近,通常称为Beta,以β表示。而对于MOS管,由于其栅极端子是隔离的,不承载电流,因此增益量是通过输出电流变化与输入电压变化的比值来确定的。
IGBT选型四个基本要求
1、安全工作区
在安全上面,主要指的就是电的特性,除了常规的变压电流以外,还有RBSOA(反向偏置安全工作区)和短路时候的保护。这个是开通和关断时候的波形,这个是相关的开通和关断时候的定义。我们做设计时结温的要求,比如长期工作必须保证温度在安全结温之内,做到这个保证的前提是需要把这个模块相关的应用参数提供出来。这样结合这个参数以后,结合选择的IGBT的芯片,还有封装和电流,来计算产品的功耗和结温,是否满足安全结温的需求。
2、热限制
热限制就是我们脉冲功,时间比较短,它可能不是一个长期的工作点,可能突然增加,这个时候就涉及到另外一个指标,动态热阻,我们叫做热阻抗。这个波动量会直接影响到IGBT的可靠性,就是寿命问题。你可以看到50赫兹波动量非常小,这个寿命才长。
3、封装要求
封装要求主要体现在外部封装材料上面,在结构上面,其实也会和封装相关,因为设计的时候会布局和结构的问题,不同的设计它的差异性很大。
4、可靠性要求
可靠性问题,刚才说到结温波动,其中最担心就是结温波动以后,会影响到这个绑定线和硅片之间的焊接,时间久了,这两种材料本身之间的热抗系数都有差异,所以在结温波动情况下,长时间下来,如果工艺不好的话,就会出现裂痕甚至断裂,这样就会影响保护压降,进一步导致ICBT失效。第二个就是热循环,主要体现在硅片和DCB这个材料之间,他们之间的差异性。如果失效了以后,就分层了,材料与材料之间特性不一样,就变成这样情况的东西,这个失效很明显。