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东芝双栅极RC-IEGT

2022-11-10 13:19| 发布者: 闪电| 查看: 1| 评论: 0

摘要: IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。 IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发 ...

  IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。 IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景,具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点,以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性,使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外,通过模块封装方式还可提供众多派生产品,在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。 日本东芝开发的IECT利用了“电子注入增强效应”,具有低饱和压降,宽安全工作区,低栅极驱动功率和较高的工作频率。器件采用平板压接式电极引出结构,可靠性高。

原理 : 

1. IGBT的截面结构和限制集电极-发射极电压的因素 

IGBT的截面结构和N基极区的载流子分布。从集电极到发射极,N基极区的载流子浓度单调递减。为了增加IGBT的集电极-发射极电压,集电极和发射极之间必须有一个深N基极区。但是,深N基极区将导致该区域的载流子浓度较低,随之导致的电阻增加将加大压降,进而将增加导通电压。因为发射极附近的载流子浓度较低,集电极-发射极电压的增加将导致导通电压增加。

2. IEGT栅极结构的特点和注入增强效果 : 

IEGT具有与IGBT相似的结构,但是其栅极相比IGBT的栅极更深更宽。该结构增加了栅极至发射极的电阻,从而阻止了载流子通过发射极侧。因此,N基极区中发射极附近的载流子浓度增加。因为这一现象与载流子注入和积聚具有相同的效果,所以也被称为注入增强效果。即便是在高集电极-发射极电压的条件下,该槽栅结构也有助于减小压降。发射极附近的载流子浓度增加。因此电子注入增加,进而降低了导通电压。IEGT是一种利用电压驱动来控制大电流的大功率器件,通过设计IGBT发射极的元素结构,改善了因集电极-发射极电压的升高而使通态电压急剧升高的现象。

IEGT的两种封装形式 : 

1. PMI (Plastic case Module IEGT)
    PMI封装是业界IEGT模块比较常见的形式。PMI封装通过采用铝碳化硅基板实现更好的散热效果,采用高CTI(CTI=Comparative Tracking Index 相比漏电起痕指数)的材质实现更好的绝缘性。是可以应用于轨道交通牵引这样的严苛状况的。

2. PPI(Press Pack IEGT)
    PPI是东芝率先商业化的独特封装的IEGT器件。随着中国市场对高可靠性、大功率密度IGBT需求的增长,PPI未来拥有越来越广阔的市场。
   
    东芝PPI IEGT產品列表 連結

   
    有如下特点:

    1)高可靠性:元件採用双面散热且內部通过无引线的方式键合,故功率循环寿命較長
    2)方便压接:采用圆形封装,便于压力均匀传导至元件内部
    3)防爆性能佳:采用陶瓷外壳,元件的防爆能力远超塑料外壳的PMI元件
    4)易串联使用:由于元件的上下侧分别是发射级和集电极,从结构上容易实现多颗串联

     『将多个IEGT芯片以阵列形式放置于同一平面上,用钼板将单个IEGT芯片从两端均匀地压入。每个IEGT芯片的集电极和发射极将在机械压力的作用下通过钼板接触到压装式外壳的相应铜电极。这不仅实现了电气连接也保证了热耗散。』(作者:东芝;出处:網址

       

                                                                               资料来源: 东芝(
https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/igbts-iegts/iegt-ppi.html)



  『东芝研发出全球首款4.5-kV双栅极反向传导栅极注入增强型晶体管(RC-IEGT)。其导通关断时的总功耗(开关损耗)比传统单栅极结构降低24%。功率器件是供电和管理电源的组件,对于降低各种电子设备功耗和实现碳中和社会至关重要。在全球脱碳和节能的趋势下,IEGT被广泛用于大功率逆变器和高压直流输电等需要大电流、高能效,以及更低功率损耗的应用。由于在IEGT开启时降低损耗(导通损耗)增加开关损耗,因此很难降低IEGT功耗。东芝开发了一种4.5kV双栅极RC-IEGT,其空穴控制栅极(CG)与主栅极(MG)分离。与单栅极器件中的反向恢复相比,这种方法通过在关断和注入之前控制空穴提取来降低损耗。在IEGT模式下,电流从基板的背面流向正面,CG关断之后MG关断,减少基板中累积的空穴,降低关断损耗。在二极管模式下,电流从基板正面流向背面,MG和CG在反向恢复之前同时导通,减少了基板中累积的电子,减少了反向恢复损耗。新开发的双栅极RC-IEGT结合栅极控制技术,关断和导通损耗分别比传统单栅极结构降低24%和18%,反向恢复损耗降低32%。因此,实际测量值中总开关损耗降低24%,而导通损耗没有任何增加。』(作者:东芝;出处:網址

新型双栅极RC-IEGT结构


资料来源: 东芝(https://toshiba-semicon-storage.com/cn/company/news/news-topics/2022/06/igbt-iegt-20220615-1.html)

 

实际测量的开关波形(东芝测试结果)


资料来源: 东芝(https://toshiba-semicon-storage.com/cn/company/news/news-topics/2022/06/igbt-iegt-20220615-1.html)

实际测量的开关损耗下降(东芝测试结果)


资料来源: 东芝(https://toshiba-semicon-storage.com/cn/company/news/news-topics/2022/06/igbt-iegt-20220615-1.html)


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