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不同时期的模板散热器的结构特点
编辑:【鼎浩电子】   时间:2017-05-04

  近几年来,功率IGBT模板散热器的性能提高很快,额定电流已达数百安培,耐压达1500V以上,而且还在不断提高。由于IGBT器件具有PIN二极管的正向特性,P沟功率IGBT模板散热器的特性不比N沟IGBT差多少,这非常有利于在应用中采取互补结构,从而扩大其在交流和数字控制技术领域中的应用。

  1沟槽(Trench)结构

  同各种电力半导体一样,IGBT向大功率化发展的内部动力也是减小通态压降和增加开关速度(降低关断时间)之间矛盾的折衷。在常规的一至二代IGBT中,其MOS沟道是平行于硅片表面的。它的导通电流由两部分组成:MOS分量IMOS和晶闸管分量ISCR,为防止闩锁(Latch-up)效应,其MOS分量必须占主导。其流通途径中不可避免地存在一个位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应晶体管(JFET)的电阻RJFET,它成为提高频率特性、缩小通态压降的障碍。第四代IGBT采用特殊的工艺制成沟槽结构,挖掉了RJFET,把MOS沟道移到垂直于硅片表面的位置,元胞尺寸可减少到20%。这样可提高硅片利用率,减小通态压降,也为其频率参数的改善创造了新的可能性。

  2IGBT模板散热器高压化

  1993年,德国EUPEC公司(欧洲电力电子公司)推出3.2kV/1.3kA的IGBT模块,但它是用多个IGBT芯片串联加并联组成的。只能说是高压化发展的一种尝试。人们曾认为IGBT耐压不会突破2kV,是因为1.2kV以下的IGBT都是用高阻外延硅片制成的,电压要达到1.5kV,外延层厚度就要超过180μm,几乎是不能实用化的。

  1996年,日本东芝公司推出了2.5kV/1kA的IGBT,具有同大功率晶闸管、GTO管相同的平板压接式封装结构。它突破了外延片的制约,采用(110)晶面的高阻单晶硅片制造,硅片厚度超过300μm,有了足够的机械强度。

  1998年,耐压4.5kV的单管IGBT开发出来,但是,要想制作单管大电流IGBT是不可能的。在IGBT的制造过程中要做十几次精细的光刻套刻,经过相应次数的高温加工,图形大到一定程度,合格率会急剧下降,甚至为零。所以,制造大功率IGBT,必然是要并联的。

  东芝公司生产的2.5kV/1kAIGBT,是由24个2.5kV/80A的IGBT芯片并联而成的,还有16个2.5kV/100A的超快恢复二极管(FRED)芯片与之反并联(续流二极管)。实现单串多并结构是IGBT走向大功率化的必由之路。采用NPT结构是IGBT自如并联的必要条件。

  3霹雳型IGBT模板散热器问世

  一段时间以来,IGBT模板散热器的工作频率限制在20kHz以下,在采用软开关拓扑的电路中最多可工作到50kHz以下,许多开关电源用到更高的频率,基本是功率MOS场效应管的天下。1998年在第四代技术的基础上,美国IR公司(WARP系列)和APT公司(GT系列)开发了命名为霹雳型IGBT的新器件,由二维集成转向三维集成。其额定电压达到600V,额定电流为0~100A。其硬开关工作频率可达150kHz,谐振逆变软开关电路可达300kHz。它的开关特性已接近功率MOSFET,而电流密度则为MOSFET的2.5倍,即相同电流时它的硅片面积大大减小,故成本有所降低。

 

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