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IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）全桥驱动电路是一种常见的功率电子驱动方案，用于控制IGBT模块高压、大电流应用中的开关操作。颖特新将详细介绍IGBT全桥驱动电路的工作原理及应用。 一、工作原理： IGBT全桥驱动电路的主要目标是提供适当的电压和电流信号来控制IGBT模块的开关状态。其工作原理基于通过驱动信号控制IGBT的栅极电位，进而控制IGBT的导通和截止。通过合理控制栅极电位，可以使IGBT快速切换，实现有效的功率转换。 二、应用领域： 1.变频驱动应用： IGBT全桥驱动电路在变频驱动系统中起着关键作用。例如，在交流电机驱动中，通过对IGBT全桥驱动电路精确控制，可以实现电机速度和转矩的调节，实现高效能量转换和精确运行控制。这在工业领域的无刷直流电机驱动、轨道交通以及船舶等领域都有广泛应用。 2.逆变器应用： 逆变器用于将直流电源转换为交流电源，IGBT全桥驱动电路在逆变器中发挥着关键作用。逆变器广泛应用于新能源发电、太阳能和风能转换系统中。通过精确控制IGBT全桥驱动电路，可以实现高效的电能转换，并保证输出波形的质量和稳定性。 3.电动汽车应用： IGBT全桥驱动电路在电动汽车领域是不可或缺的。电动汽车使用高压直流电池供电，通过IGBT全桥驱动电路将直流电转换为交流电，驱动电机实现车辆运动。IGBT全桥驱动电路可确保高效的能量转换和精确的电机控制，提高电动汽车的性能和续航里程。 4.可再生能源应用： 在可再生能源领域，如光伏逆变器和风力发电系统中，IGBT全桥驱动电路起着关键作用。透过对光伏电池和风力发电机输出进行精确控制，可以使得电能以高效率注入电网。IGBT全桥驱动电路的快速开关特性与高频调制技术相结合，使得光伏和风力能源得到最大程度的利用。 设计全桥电路的三个要点: 1.MOS/IGBT的栅极引脚部分的电路: 简单来说就是驱动全桥电路就早驱动信号驱动MOS/IGBT的栅极，但是驱动信号直接送到机极上是不可以的，因为MOS/IGBT栅极结构原因，存在电容，如果驱动信号不辅助栅极部分的硬件电路会使MOS/IGBT一直导通，造成全桥电路中的四个管全部导通，结果可想而知。解决方案比如下图所示: 2.MOS/IGBT的保护电路: MOS/IGBT管具有较脆弱的承受短时过载能力，所以在应用时必须为其设计合理的保护电路来提高器件的可靠性。常见的保护电路有很多种，比如RC保护电路或者RCD保护电路。本次设计采用的是RCD 缓冲吸收电路和MOS管构成全桥逆变电路，将直流高压电转换为交流激励信号。 3.全桥电路的器件选型问题: 全桥电路中每一个器件的选型都尤为重要，可能哪一个器件的承受值不满足可能会造成整个全桥电路瘫痪。比如MOS管的选型，在计算最大工作频率时要关注MOS管的上升和下降时间，以及保护电路的器件特性等。 本次设计的全桥逆变电路(IRFP460MOS管、水泥电阻、聚酯膜电容以及快恢复二极管等)，其中最高工作频率以及耐压耐流主要看所选择的器件( IGBT 工作频率会低一些，但是耐压耐流值高)。 下图是全桥逆变电路的输出波形: 下图是本次设计中采样电阻采到的波形(可以看出峰峰值电流达到100A)。

IGBT模块是如何失效的？ IGBT模块主要由若干混联的IGBT芯片构成，个芯片之间通过铝导线实现电气连接。标准的IGBT封装中，单个IGBT还会并有续流二极管，接着在芯片上方灌以大量的硅凝胶，用塑料壳封装。 1、 IGBT模块 结构 IGBT 模块主要由若干混联的IGBT芯片构成，个芯片之间通过铝导线实现电气连接。标准的IGBT封装中，单个IGBT还会并有续流二极管，接着在芯片上方灌以大量的硅凝胶，用塑料壳封装，IGBT单元堆叠结构如图1-1所示。 从上之下它依次由芯片， DB C（Directed Bonding Copper）以及金属散热板（通常选用铜）三部分组成。DBC由三层材料构成，上下两层为金属层，中间层是绝缘陶瓷层。相比于陶瓷衬底，DBC的性能更胜一筹：它拥有更轻的重量，更好的导热性能，而且可靠性更好。 2、IGBT的封装失效机理 功率器件的可靠性是指在规定条件下，器件完成规定功能的能力，通常用使用寿命表示。由于半导体器件主要是用来实现电流的切换，会产生较大的功率损耗，因此，电力电子系统的热管理已成了设计中的重中之重。在电力电子器件的工作过程中，首先要应对的就是热问题，它包括稳态温度，温度循环，温度梯度，以及封装材料在工作温度下的匹配问题。 由于IGBT采取了叠层封装技术，该技术不但提高了封装密度，同时也缩短了芯片之间导线的互联长度，从而提高了器件的运行速率。但也正因为采用了此结构，IGBT的可靠性受到了质疑。不难想象，IGBT模块封装级的失效主要发生在结合线的连接处，芯片焊接处，基片焊接处和基片等位置。 在通常的功率循环或温度循环中，芯片，焊料层，基片，底板和封装外壳都会经历不同层度的温度及温度梯度。热膨胀系数(C TE ,Coefficient of Thermal Expansion)是材料的一项重要性能指标，指的是在一定温度范围内温度每升高1度，线尺寸的增加量与其在0度时的长度的比值。图1-2是IGBT堆叠结构中常用材料的热膨胀系数，由于各自材料的热膨胀系数不同，在温度变化时不同材料之间的热应变不同，相互连接层之间的接合会产生因热应力疲劳损耗。因此，器件的热行为与模块封装的结构息息相关。调查表明，工作温度每上升10℃，由温度引起的失效率增加一倍。 图1-3标注了IGBT模块在工作过程中容易发生疲劳损耗的点，具体有： 铝接合导线的脱离 IGBT内的铝接合导线的直径通常为300-500um,他们的化学成分因生产厂商而异. 然而，几乎在所有情况下，在纯铝中加入千分之一的合金，例如硅镁或硅镍合金，铝的硬度会大大提升因而抗腐蚀性得以控制。由于与长度的不成比例以及轻微依赖衬底的温度，接合线的电流容量会有所下降。的直流电流受限于导线自身的欧姆热效应带来的熔化。由于铝接合线是直接接在芯片或压力 缓冲器 上,会承受较大的温度变化,而IGBT模块是由不同热膨胀系数的材料构成,在工作期间,必然会有明显的热疲劳.这种疲劳会随着工作时间的推移,导线自身的欧姆效应变得越来越明显,终在键合线根部产生裂痕。 铝导线的重构 在热循环测试中,热膨胀系数的不匹配会造成键合表面周期性的挤压和拉升作用,而这种作用远远超出材料本身的伸缩范围。在此情况下,压力会通过不同的方式释放出去,如扩散蠕动,颗粒滑行,错位等形式。铝的重塑会导致接触面有效面积的减少,从而导致方块 电阻 的增加。这也解释了为什么随着周期性测试,Vce也呈线性增加的 趋势 。 焊料疲劳与焊料空隙 芯片与衬底之间的焊料层因热膨胀系数的不同产生的裂痕会增加导线的接触电阻,电阻的增加会导致欧姆效应的增强,如此温度正反馈会使裂痕越演越烈，终导致器件的失效。焊料层内的空洞会影响温度热循环,器件的散热性能降低,这也会促进温度的上升，从而加快模块的损坏。并且，应力与应变之间存在着滞回现象，在不断地温度循环当中，材料的形状实时地发生改变，这又增加了焊锡的热疲劳。买电子元器件现货上唯样商城。此外，应工艺问题在焊锡中引入的空洞会影响期间在工作过程中的热循环，造成局部温度过高，这也是模块失效的一个重要原因。 晶圆 及陶瓷裂痕 在IGBT七层结构中，因热膨胀系数的不匹配会给各层带来非常大的机械应力。在温度差异的情况下，各层材料的形变有所不同，并且同层材料的不同部分也会因为温度分布的差异导致形变程度的不同，这样就不可避免地存在局部应力过大的问题，从而导致材料的开裂。

一、 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，大规模应用于电动汽车、电力机车、智能电网等领域。 氮化硅基板 既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又具有无氧铜的高导电性和优异的焊接性能，是IGBT模块封装的关键基础材料。 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全称绝缘栅双极型晶体管，是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、安全工作区大和可耐高电压和大电流等一系列优点，被誉为现代工业变流装置的“CPU”，在轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电、国防工业等战略性产业广泛应用。 随着《中国制造2015》、《工业绿色发展专项行动实施方案》、《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》以及“特高压规划”等一系列的政策密集出台，我国的高速铁路、城市轨道交通、新能源汽车、智能电网和风能发电等项目成为未来几年“绿色经济”的热点。而这些项目对于高压大功率IGBT模块的需求迫切且数量巨大。由于高压大功率IGBT模块技术门槛较高，难度较大，特别是要求封装材料散热性能更好、可靠性更高、载流量更大。但是国内相关技术水平落后导致国内高压IGBT市场被欧、美、日等国家所垄断，高压IGBT产品价格高、交货周期长、产能不足，严重限制了我国动力机车、电动汽车和新能源等领域的发展。 高压大功率IGBT模块所产生的热量主要是通过氮化硅陶瓷覆铜板传导到外壳而散发出去的，因此氮化硅陶瓷覆铜板是电力电子领域功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。它既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又具有无氧铜金属的高导电性和优异的焊接性能，并能像PCB线路板一样刻蚀出各种图形。氮化硅陶瓷覆铜板集合了功率电子封装材料所具有的各种优点： 　　1)陶瓷部分具有优良的导热耐压特性; 　　2)铜导体部分具有极高的载流能力; 　　3)金属和陶瓷间具有较高的附着强度和可靠性; 　　4)便于刻蚀图形，形成电路基板; 　　5)焊接性能优良，适用于铝丝键合。 　陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆铜板性能的决定因素。目前，已应用作为陶瓷覆铜板基板材料共有三种陶瓷，分别是氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板。氧化铝陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，由于它具有好的绝缘性、好的化学稳定性、好的力学性能和低的价格，但由于氧化铝陶瓷基片相对低的热导率、与硅的热膨胀系数匹配不好。作为高功率模块封装材料，氧化铝材料的应用前景不容乐观。 氮化铝覆铜板在热特性方面具有非常高的热导率，散热快;在应力方面，热膨胀系数与硅接近，整个模块内部应力较低，提高了高压IGBT模块的可靠性。这些优异的性能都使得氮化铝覆铜板成为高压IGBT模块封装的首选。 二、目前市面上将陶瓷材料金属化的工艺方法主要有以下几种： DBC技术，是指在在含氧的氮气中以1063℃左右的高温加热，氧化铝或氮化铝陶瓷表面直接焊接上一层铜箔。其基本原理是：利用了铜与氧在烧结时形成的铜氧共晶液相，润湿相互接触的两个材料表面，即铜箔表面和陶瓷表面，同时还与氧化铝反应生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等复合氧化物，充当共晶钎焊用的焊料，实现铜箔与陶瓷的牢固结合。 缺点：陶瓷与铜界面结合紧密，而且结构致密。陶瓷晶粒大约为1-5μm，与铜之间存在8-10微米的过渡层。该过渡层结构致密，晶粒约为3-5μm，但是晶粒间存在不连贯的微裂纹。陶瓷表面致密，没有气孔存在。表面颗粒凹凸不平，可能是拉开时裂纹沿晶界扩展，部分颗粒在铜上部分颗粒在陶瓷上导致。 AMB工艺（活性焊铜工艺）是DBC技术的进一步发展，它是利用钎料中含有的少量活性元素与陶瓷反应生成能被液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属接合的一种方法。先将陶瓷表面印刷活性金属焊料而后与无氧铜装夹后在真空钎焊炉中高温焊接，覆接完毕基板采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺在表面制作电路，最后表面镀覆制备出性能可靠的产品。AMB基板是靠陶瓷与活性金属焊膏在高温下进行化学反应来实现结合，因此其结合强度更高，可靠性更好。缺点：由于该方法成本较高、合适的焊料较少、焊料对于焊接的可靠性影响较大。 DPC陶瓷电路板又称直接镀铜陶瓷电路板，主要用蒸发、磁控溅射等面沉积工艺进行基板表面金属化，先是在真空条件下溅射钛然后再溅射铜颗粒，再进行电镀增厚，在薄膜金属化的陶瓷板上采用影像转移方式制作线路，再采用电镀封孔技术形成高密度双面布线间的陶瓷电路板。 斯利通公司引进专业的陶瓷板磁控溅射设备，采用DPC工艺生产的陶瓷线路板不需要很高的温度实现了铜层与陶瓷层的结合，对氮化铝覆铜板的可键合性进行的工艺实验，键合推力均大于1700g，同时具备高导热、高绝缘、高线路精准度、高表面平整度及热膨胀系数与芯片匹配等诸多特性，满足高压IGBT模块的应用可靠性要求。 斯利通公司的陶瓷线路板对温度冲击的可靠性是其性能的关键因素，要求线路板基板在芯片焊接完成后，要能承受-40℃～+150℃,100次的温度循环。 三 、高压IGBT模块用陶瓷覆铜基板发展方向 以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料的出现，为器件性能的进一步大幅度提高提供了可能。针对SiC基/GaN基三代半导体器件高频、高温、大功率的应用需求，为实现大功率电力电子器件高密度三维模块化封装，需要开发可靠性更高、耐温性能更好、载流能力更强的陶瓷覆铜基板。氮化硅陶瓷基板具有低的2.4倍于氧化铝和氮化铝的抗弯强度，因此具有比氮化铝和氧化铝高的多的可靠性，尤其是高强度可以实现其与厚铜基板的覆接，大幅提高基板的热性能。相对于氮化铝和氧化铝，氮化硅陶瓷覆铜板在电流承载能力、散热能力、力学性能、可靠性等方面均具有明显优势。同时，β-Si3N4陶瓷具有潜在的较高热导率( 200~320W/m•K)，但是其微观结构更为复杂，对声子的散射较大，故热导率较低[]，限制了其作为功率模块基板材料的应用。因此，目前更多的研究关注于如何提高氮化硅陶瓷的热导率。 高导热陶瓷应具备以下条件： (1)平均原子量小; (2)原子键合强度高; (3)晶体结构较为简单; (4)晶格非谐性振动低。 提高氮化硅陶瓷热导率的方法包括： （1）β-Si3N4相晶种的引入; （2）烧结助剂的选择; （3）成型工艺以及热处理工艺。 因此，在高功率IGBT模块领域，氮化硅陶瓷覆铜板因其可以焊接更厚的无氧铜以及更高的可靠性在未来电动汽车用高可靠功率模块中应用广泛。根据材料及工艺特性展示了陶瓷覆铜板的技术发展方向，在大功率功率模块领域氮化铝陶瓷覆铜板为主要发展方向，在高可靠功率模块领域氮化硅陶瓷覆铜板为主要发展方向。 随着我国战略性新兴产业的兴起，电力电子技术在风能、太阳能、热泵、水电、生物质能、绿色建筑、新能源装备、电动汽车、轨道交通等先进制造业等重要领域都发挥着重要的作用，而这其中的许多领域在“十三五”规划中都具备万亿以上的市场规模，其必将带来电力电子技术及其产业的高速发展，迎来重大的发展机遇期。这些将对IGBT模块封装的关键材料---陶瓷覆铜板形成了巨大需求。因此，需要抓住机遇，开发系列化的 陶瓷覆铜基板 以适应不同领域的需求，特别是需要加快高可靠氮化铝基板、氮化硅基板的研发及产业化进度，为我国高压IGBT模块的国产化奠定基础。

IGBT器件的发射极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和发射极之间构成了一个栅极电容Cgs，因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率IGBI管的CGS一般在10-1OOpF之间，对于大功率的绝缘栅功率器件由于栅饭电容CGS较大（1-1OOnF甚至更大），因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容CCG，栅极驱动功率是不可忽视的。文章来源： http://www.igbt8.com/     IGBT删极电压可由不同的驱动电路产生，栅极驱动电路设计的优劣直接关系到由IGBT构成的系统长期运行的可靠性。正向栅极电压的值应该足够令1GBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来功率应力。当栅极电压为零时，IGBT处于断态。但是，为了保证IGBT在集电极-发射极电压上出现du/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗，所以设计合理的IGBT驱动电路显得尤为重要。理想的驱动电路应具有以下基本性能。     1 要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压UGE。理论上UGEUGE(th)时,IGBT即可开通；当UGE太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。正向UGE越大，IGBT器件的UCES越小，越有利于降低器件的通态损耗，但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，并使续流二极管反向恢复过电压增大。因此正偏压要适当，-般不UGE超过+20V。关断IGBT时，必须为IGBT器件提供-5---15V的反向UGE，以便尽快抽取IGBT器件内部的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。采用反偏压可减少关断损耗，提高IGBT工作的可靠性。   2 要求驱动电路具有隔离的输入、输出信号功能，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很短。   3 要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻RG，用以控制UGE的前后沿陡度，进而控制IGBT器件的开关损耗，RG增大，UGE前后沿变缓，IGBT开关过程延长，开关损耗增加；RG减小，UGE前后沿变陡，IGBT器件的开关损耗降低，同时集电极电流变化率增大。较小的栅极电阻使得IGBT开通时的di/dt变大，会导致较高的du/dt，增加了续流二极管恢复时的浪涌电压。因此，在设计栅极电阻时要兼顾到这两个方面的问题。因此，RG的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率来进行，一般取几欧姆到几十欧姆。   ④驱动电路位具有过压保护和du/dt保护能力。当发生短路或过流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护功能。 详情可参阅： http://www.igbt8.com/qd/

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