大功率逆导型IGBT应用特性研究与专用驱动设计
发布时间：2020-12-11 14:01
逆导型IGBT打破了普通IGBT+反并联二极管的单体封装模式,通过P区反掺杂技术在模块内部形成反向集成二极管,可以提高33%的模块功率密度,热特性优良,模块电压电流等级可以达到6.5kV/1kA,同时通过二极管的门极退饱和控制策略,可以降低器件损耗,具有广泛的应用前景。本文阐述了高压大功率IGBT模块、逆导型IGBT的研究现状与发展趋势,介绍了逆导型IGBT的物理结构与工作原理,建立了内部集成二极管的数学模型,研究了门极电压对二极管特性的影响,并导出了逆导型IGBT内部二极管退饱和控制方法。建立了基于门极可控二极管的逆导型IGBT模型,仿真验证了所提模型的有效性,并对比了 6.5kV逆导型IGBT与普通IGBT+FWD的热阻回路模型,分析了逆导型IGBT在热特性上的优势;基于双脉冲测试,开展了器件的静态与动态特性测试实验,验证了两电平门极退饱和控制对模块动态特性与损耗的优化效果,推导了三相逆变器损耗计算方法,在特定工况下计算并分析了逆导型IGBT在MW级逆变器损耗方面的优势。阐述了 IGBT驱动原理与主参数计算方法,完成了 6.5kV逆导型IGBT专用门极驱动器各部分的电路设计与参数计...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３．?ＩＧＢＴ应用领域分布??Ｆｉ１－３．?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＩＧＢＴ?ａｌｉｃａｔｉｏｎ??
目前国内的ＩＧＢＴ芯片产业主要还是依赖于国外进口，特别是中大功率的??ＩＧＢＴ模块，被英飞凌、富士、三菱等公司技术垄断，根据２０１７年ＩＧＢＴ产业统计，??如图１－２所示，百分之７４％左右的ＩＧＢＴ芯片来自于五家大型半导体生产公司，其??中三菱占据了?２６％的市场，雄踞首位，英飞凌、富士电机分别占有２０％与１２％的??份额，其余赛米控、Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ占据５％与１１％的份额，整体的产业偏向于日本、德??国等工业发达国家。??富士电机??英飞凌??２０％??Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ?二菱??５％?２６％??图１－２．?２０１７全球ＩＧＢＴ产业分布??Ｆｉｇ?１－２．?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＩＧＢＴ?ｉｎｄｕｓｔｒｙ?ｕｎｔｉｌ?２０１７??２０１７年ＩＧＢＴ应用领域分布如图１－３所示，显示ＩＧＢＴ的市场份额主要被电动??汽车、家用电器、基础设施、新能源与电力、市政工程等占据。???其他领域??电动汽车?１６．１０％??２４３０％??电力?４．００％??市政工８??４．５０％??新能源基础设氣??１１．２０％?１４．３０％??图１－３．?ＩＧＢＴ应用领域分布??Ｆｉｇ?１－３．?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＩＧＢＴ?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ??其中电动汽车占有２４．３％的市场份额，所用ＩＧＢＴ主要为中小功率的ＩＧＢＴ??模块，应用于汽车电子装置中或电池管理，用于对电流电压的整流逆变以及电机??驱动中，随着新能源电动汽车的进一步发展，所占市场份额会进一步增加；家用??电器占有１７．６％的市场份额
逆导型ＩＧＢＴ并不是全新的概念，它是基于ＭＯＳＦＥＴ集成二极管的思想，最??初开发于上世纪九十年代初，其基本设计包括具有重叠ｐ?＋和ｎ?＋区域的短路阳极／??集电极结构，以在ＩＧＢＴ内提供反并联二极管，如图１－５所示。由于ＩＧＢＴ和二极??管当时处于早期发展阶段，ＲＣ－ＩＧＢＴ性能的理解和优化尚未得到重视，此外，ＩＧＢＴ??的发展重点主要是针对改进的ＩＧＢＴ和二极管设计概念和ＭＯＳ控制结构。随着现??代ＩＧＢＴ和二极管结构的发展，更多的开发工作旨在恢复ＲＣ－ＩＧＢＴ的概念，因为??这种技术产生的潜力很大，主要集中在特殊应用的额定电压为１２００Ｖ或更低的低??电压设备上。然而，在高电压范围内，功率高压ＲＣ－ＩＧＢＴ由于技术设计和工艺过??程的障碍，在实际的硬开关应用中尚未对标准ＩＧＢＴ／二极管方案提出挑战，主要??矛盾在于：对ＩＧＢＴ集成二极管等离子体恢复（即掺杂分布和寿命控制）的ＩＧＢＴ??阴极（发射极）附近的等离子体增强的矛盾要求；短路阳极Ｐ＋和ｎ＋区域根据掺杂??浓度（注入效率）最小化设计，与ＲＣ－ＩＧＢＴ相关的导通状态快速Ｓｎａｐ?ｂａｃｋ现象??之间的矛盾；在ＩＧＢＴ和二极管操作期间，与正面对准的短路阳极ｐ＋和ｎ＋区域布??局设计用于受控和最小不均匀的电荷分布；关于ＩＧＢＴ和二极管的硅和缓冲器设计??参数（厚度和掺杂）与关断和反向恢复柔软度的匹配１５】１６】［７］。??逆导型ＩＧＢＴ?（ＲＣ－ＩＧＢＴ）将ＩＧＢＴ和二极管功能集成在一个芯片上
【参考文献】：
期刊论文
[1]逆导型IGBT的发展及其在智能电网中的应用[J]. 李晓平,刘江,赵哿,高明超,王耀华,金锐,温家良. 智能电网. 2017(01)
[2]第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战[J]. 何亮,刘扬. 电源学报. 2016(04)
[3]PIN型功率二极管动态特性物理模型参数提取[J]. 方春恩,李威,李先敏,李伟,任晓,刘星. 电工技术学报. 2015(06)
[4]逆导型非穿通绝缘栅双极晶体管仿真[J]. 杨坤进,汪德文. 半导体技术. 2013(07)
博士论文
[1]新型RC-IGBT的研究[D]. 朱利恒.电子科技大学 2014
硕士论文
[1]基于SiC MOSFET的辅助变流器应用研究[D]. 谢佳季.北京交通大学 2017
[2]应用于牵引传动的大功率IGBT的建模和特性研究[D]. 杜韶华.北京交通大学 2016
[3]基于IGBT寄生参数的门极驱动技术[D]. 姜海龙.吉林大学 2016
[4]IGBT驱动策略与仿真研究[D]. 李文韬.华中科技大学 2015
[5]大功率IGBT模块开关特性测试平台研制及其应用[D]. 孙鹏飞.浙江大学 2015
[6]IGBT功率模块热传导与退化研究[D]. 黄欢.河北工业大学 2015
[7]IGBT封装模块散热特性的研究[D]. 潘洋.华中科技大学 2013
[8]SPT薄穿通IGBT的设计[D]. 方伟.电子科技大学 2011
本文编号：2910654
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３．?ＩＧＢＴ应用领域分布??Ｆｉ１－３．?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＩＧＢＴ?ａｌｉｃａｔｉｏｎ??
目前国内的ＩＧＢＴ芯片产业主要还是依赖于国外进口，特别是中大功率的??ＩＧＢＴ模块，被英飞凌、富士、三菱等公司技术垄断，根据２０１７年ＩＧＢＴ产业统计，??如图１－２所示，百分之７４％左右的ＩＧＢＴ芯片来自于五家大型半导体生产公司，其??中三菱占据了?２６％的市场，雄踞首位，英飞凌、富士电机分别占有２０％与１２％的??份额，其余赛米控、Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ占据５％与１１％的份额，整体的产业偏向于日本、德??国等工业发达国家。??富士电机??英飞凌??２０％??Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ?二菱??５％?２６％??图１－２．?２０１７全球ＩＧＢＴ产业分布??Ｆｉｇ?１－２．?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＩＧＢＴ?ｉｎｄｕｓｔｒｙ?ｕｎｔｉｌ?２０１７??２０１７年ＩＧＢＴ应用领域分布如图１－３所示，显示ＩＧＢＴ的市场份额主要被电动??汽车、家用电器、基础设施、新能源与电力、市政工程等占据。???其他领域??电动汽车?１６．１０％??２４３０％??电力?４．００％??市政工８??４．５０％??新能源基础设氣??１１．２０％?１４．３０％??图１－３．?ＩＧＢＴ应用领域分布??Ｆｉｇ?１－３．?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＩＧＢＴ?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ??其中电动汽车占有２４．３％的市场份额，所用ＩＧＢＴ主要为中小功率的ＩＧＢＴ??模块，应用于汽车电子装置中或电池管理，用于对电流电压的整流逆变以及电机??驱动中，随着新能源电动汽车的进一步发展，所占市场份额会进一步增加；家用??电器占有１７．６％的市场份额
逆导型ＩＧＢＴ并不是全新的概念，它是基于ＭＯＳＦＥＴ集成二极管的思想，最??初开发于上世纪九十年代初，其基本设计包括具有重叠ｐ?＋和ｎ?＋区域的短路阳极／??集电极结构，以在ＩＧＢＴ内提供反并联二极管，如图１－５所示。由于ＩＧＢＴ和二极??管当时处于早期发展阶段，ＲＣ－ＩＧＢＴ性能的理解和优化尚未得到重视，此外，ＩＧＢＴ??的发展重点主要是针对改进的ＩＧＢＴ和二极管设计概念和ＭＯＳ控制结构。随着现??代ＩＧＢＴ和二极管结构的发展，更多的开发工作旨在恢复ＲＣ－ＩＧＢＴ的概念，因为??这种技术产生的潜力很大，主要集中在特殊应用的额定电压为１２００Ｖ或更低的低??电压设备上。然而，在高电压范围内，功率高压ＲＣ－ＩＧＢＴ由于技术设计和工艺过??程的障碍，在实际的硬开关应用中尚未对标准ＩＧＢＴ／二极管方案提出挑战，主要??矛盾在于：对ＩＧＢＴ集成二极管等离子体恢复（即掺杂分布和寿命控制）的ＩＧＢＴ??阴极（发射极）附近的等离子体增强的矛盾要求；短路阳极Ｐ＋和ｎ＋区域根据掺杂??浓度（注入效率）最小化设计，与ＲＣ－ＩＧＢＴ相关的导通状态快速Ｓｎａｐ?ｂａｃｋ现象??之间的矛盾；在ＩＧＢＴ和二极管操作期间，与正面对准的短路阳极ｐ＋和ｎ＋区域布??局设计用于受控和最小不均匀的电荷分布；关于ＩＧＢＴ和二极管的硅和缓冲器设计??参数（厚度和掺杂）与关断和反向恢复柔软度的匹配１５】１６】［７］。??逆导型ＩＧＢＴ?（ＲＣ－ＩＧＢＴ）将ＩＧＢＴ和二极管功能集成在一个芯片上
【参考文献】：
期刊论文
[1]逆导型IGBT的发展及其在智能电网中的应用[J]. 李晓平,刘江,赵哿,高明超,王耀华,金锐,温家良. 智能电网. 2017(01)
[2]第三代半导体GaN功率开关器件的发展现状及面临的挑战[J]. 何亮,刘扬. 电源学报. 2016(04)
[3]PIN型功率二极管动态特性物理模型参数提取[J]. 方春恩,李威,李先敏,李伟,任晓,刘星. 电工技术学报. 2015(06)
[4]逆导型非穿通绝缘栅双极晶体管仿真[J]. 杨坤进,汪德文. 半导体技术. 2013(07)
博士论文
[1]新型RC-IGBT的研究[D]. 朱利恒.电子科技大学 2014
硕士论文
[1]基于SiC MOSFET的辅助变流器应用研究[D]. 谢佳季.北京交通大学 2017
[2]应用于牵引传动的大功率IGBT的建模和特性研究[D]. 杜韶华.北京交通大学 2016
[3]基于IGBT寄生参数的门极驱动技术[D]. 姜海龙.吉林大学 2016
[4]IGBT驱动策略与仿真研究[D]. 李文韬.华中科技大学 2015
[5]大功率IGBT模块开关特性测试平台研制及其应用[D]. 孙鹏飞.浙江大学 2015
[6]IGBT功率模块热传导与退化研究[D]. 黄欢.河北工业大学 2015
[7]IGBT封装模块散热特性的研究[D]. 潘洋.华中科技大学 2013
[8]SPT薄穿通IGBT的设计[D]. 方伟.电子科技大学 2011
本文编号：2910654
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2910654.html
