基于能源變換IGBT應(yīng)用技術(shù)研究

謝穩(wěn)

摘要：從當(dāng)前IGBT的發(fā)展情況來(lái)看，其在可再生能源系統(tǒng)中發(fā)揮了較大的價(jià)值。電力是當(dāng)前我國(guó)工業(yè)發(fā)展的重中之重。要想有效降低國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗的總量，就要從工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程著手。采取有效的措施控制大電流和高電壓機(jī)械設(shè)備的實(shí)際功耗。IGBT應(yīng)用技術(shù)同時(shí)具有MOSFET的高速性能和雙極型功率晶體管的低電阻性能。這兩個(gè)主要性能決定了IGBT應(yīng)用技術(shù)在交流控制中的重大作用，是實(shí)現(xiàn)降低能源消耗的重要工具。

關(guān)鍵詞：能源；消耗；IGBT；技術(shù)；現(xiàn)狀

一、我國(guó)IGBT應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀

IGBT應(yīng)用技術(shù)屬于功率器件技術(shù)發(fā)展演變的必然結(jié)果。也將會(huì)成為將來(lái)功率器件發(fā)展的主要方向。它充分滿足當(dāng)前時(shí)代對(duì)降耗、節(jié)能、環(huán)保的需求，有效實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展。被研究者認(rèn)為是電力電子技術(shù)革命當(dāng)中的重要成果。我國(guó)政府已經(jīng)看到IGBT應(yīng)用技術(shù)的重要價(jià)值，并推出一系列的政策支持技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化。我國(guó)國(guó)家發(fā)改委積極表明態(tài)度，為研發(fā)IGBT應(yīng)用技術(shù)提供了大量的資金扶持。但是，從當(dāng)前我國(guó)IGBT應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看，無(wú)論是在技術(shù)手段、機(jī)械設(shè)備，還是技術(shù)人才上，都不容樂(lè)觀。我國(guó)早在“八五”和“九五”期間就作出了技術(shù)樣品，但是這個(gè)樣品在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有得到研發(fā)生產(chǎn)。在1997年，我國(guó)的西安電力電子技術(shù)研究所研制出了1050V/20A的PTIGBT樣品。而且其在少子壽命控制技術(shù)方面也取得了較好的成果。在2000年，我國(guó)的電子科技法學(xué)微電子所也曾研制出了1200V/20A SDBIGBT的樣品。這在當(dāng)時(shí)是具有重大意義的，引起了相關(guān)研究者的普遍關(guān)注。在2001年，我國(guó)的北京工業(yè)大學(xué)展開(kāi)了對(duì)NPTIGBT的研究。該項(xiàng)研究突出的成就就是對(duì)新結(jié)構(gòu)IGBT進(jìn)行了仿真處理。這在當(dāng)時(shí)是具有一定進(jìn)步意義的，為后來(lái)IGBT應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展指明了道路。在2004年，我國(guó)的西安交通大學(xué)對(duì)NPTTrenchIGBT工藝展開(kāi)了有效探究。該項(xiàng)研究較為突出的一點(diǎn)就是采用了全自對(duì)準(zhǔn)槽柵工藝，只用了兩塊掩模，完成了一項(xiàng)較大規(guī)模集成電路的LDD工藝制作，這項(xiàng)研究受到了許多研究者的關(guān)注，并獲得了國(guó)家的發(fā)明專利。IGBT應(yīng)用技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在也取得了一些較好的成績(jī)，但是在市場(chǎng)運(yùn)用當(dāng)中，還存在較大缺陷，這是我們必須要著重關(guān)注的方面。

二、能源變換IGBT應(yīng)用技術(shù)的運(yùn)用

在2007年慕尼黑電子展會(huì)上，三菱電機(jī)、賽米控、富士電機(jī)、英飛凌半導(dǎo)體等企業(yè)都向觀眾展示了其最新研發(fā)出的IGBT產(chǎn)品。代表了近些年IGBT應(yīng)用技術(shù)的運(yùn)用狀況。三菱電機(jī)企業(yè)向大家展示了其最新研發(fā)的第五代高性能、低能耗的功率模塊（IPM）。在該功率模塊當(dāng)中，精彩之處在于使用了新溝槽型IGBT硅片。絕緣電壓最高可以達(dá)到2500V，但是與第一代產(chǎn)品相比，其功耗卻降低了70%，而且體積較小，便于操作。在該項(xiàng)研究成果當(dāng)中，有效采用了7單元和6單元緊湊封裝的方式，使得其性能更加穩(wěn)定，功耗降低。ASIC控制di/dt減少EMI；該企業(yè)的研究者還巧妙的在硅片上安裝了溫度傳感器，使得該工藝對(duì)溫度的控制更加準(zhǔn)確，能夠有效采取過(guò)溫保護(hù)措施。在對(duì)電流進(jìn)行處理時(shí)，該企業(yè)將制動(dòng)IGBT的額定電流提升到逆變IGBT的50%左右，其最大的輸出電流可以高達(dá)900A，充分突出了該技術(shù)的功能價(jià)值。在采用有效的技術(shù)方式處理之后，其開(kāi)關(guān)的頻率也大大增加，最高可以升至20kHz。除此之外，三菱電機(jī)獨(dú)創(chuàng)性的一點(diǎn)在于，其在IGBT硅片上集成了方向?qū)ǘO管，而且在研究者的共同努力在，成功地研發(fā)出了反向?qū)≧CIGBT，在當(dāng)時(shí)具有十分巨大的意義。而且，RCIGB的投入使用，有效節(jié)省了內(nèi)置硅片和配線，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。其內(nèi)部采用的散熱優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)大大減少了產(chǎn)品的熱阻。而且，在該模塊的外部端子部分，采用了無(wú)鉛焊料作為其電鍍層，不僅效果較好，而且節(jié)能環(huán)保。除此之外，其內(nèi)部的焊接也采用了無(wú)鉛材料。

在此項(xiàng)展會(huì)當(dāng)中，英飛凌科企業(yè)向大家展示了專為牽引驅(qū)動(dòng)而優(yōu)化的全新IHM/IHV B系列IGBT功率模塊和緊湊型PrimePACKTMIGBT模塊系列。這與傳統(tǒng)的變頻器相比，是具有一定創(chuàng)造性的。這種全新高功率模塊工藝所涉及的變頻器，可以實(shí)現(xiàn)提升50%的功率。除此之外，在同等條件下，其輸出電流最高可以提升50%。IHM/IHV B系列具有較好的性能，其與IMHA系列能夠?qū)崿F(xiàn)完全融合。使用該系列的用戶可以根據(jù)自己的需求，在不改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行更新?lián)Q代。B系列熱阻性能方面做出了有效的改進(jìn)。除此之外，全新的B系列模塊在實(shí)際使用中，能夠有效滿足電力機(jī)車或者電車牽引驅(qū)動(dòng)裝置等的需求，能夠有效保障其性能的穩(wěn)定性。在提升電力機(jī)車或電車牽引驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作時(shí)，為了有效提升熱循環(huán)的能力，B系列模塊當(dāng)中加入了碳化硅鋁基板。該基板能夠與氮化鋁襯底配合使用，有效降低熱循環(huán)，提升機(jī)器設(shè)備的耐用性。英飛凌科企業(yè)使用銅基板的IHM/IHV B模塊，在工業(yè)傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電上發(fā)揮了巨大的作用，經(jīng)過(guò)有效處理，其電流最高可以實(shí)現(xiàn)3600A，電壓最高可以實(shí)現(xiàn)3300V。

三、結(jié)語(yǔ)

電力是維持我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)和社會(huì)生活穩(wěn)定進(jìn)行的重要力量。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的條件下，我國(guó)之前用于工業(yè)生產(chǎn)的能源消耗巨大。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，必須要不斷開(kāi)發(fā)新能源，代替舊能源，研發(fā)新技術(shù)，代替舊技術(shù)。研究者的一切創(chuàng)新都會(huì)將節(jié)能、降耗、環(huán)保當(dāng)做重要的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。IGBT應(yīng)用技術(shù)的使用，不僅能夠有效保障電力等相關(guān)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，其降低大電流、高電壓應(yīng)用功耗的作用，還符合當(dāng)前社會(huì)節(jié)能環(huán)保理念的要求。從當(dāng)前我國(guó)IGBT應(yīng)用技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)情況來(lái)看，與西方國(guó)家相比還存在一定的缺陷。相關(guān)研究者在今后的研究中，要積極做好IGBT應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新工作，堅(jiān)持提升機(jī)械設(shè)備工作效率、節(jié)能環(huán)保的理念，有效促進(jìn)社會(huì)的和諧可持續(xù)發(fā)展。

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