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IGBT单管,即N沟道增强绝缘栅双极晶体管,其结构中,N+区被命名为源极区,并与之相连的电极也被称为源极。而P+区域则被定义为漏极区。晶体管的控制核心在于栅极区域,其上的电极自然被称为栅极。沟道紧贴着栅极边缘形成,而漏极与源极之间的P形区域(涵盖P+和P区域)则被称作子沟道区。漏极区的另一侧,有一个特别的P+区,被称为漏极注入区,它赋予了IGBT独特的性能。漏极区和子沟道区共同构成了PNP双极晶体管,该晶体管作为发射极,向漏极注入空穴,实现导电调制并降低器件的导通电压。与漏极注入区相连的电极即被称为漏极。
相较之下,IGBT功率模块则集成了IC驱动、多样的驱动保护电路、高性能IGBT芯片以及新颖的封装技术。从复合功率模块PIM到智能功率模块IPM,再到电力电子构建模块PEBB和功率模块IPEM,IGBT模块可视为IGBT单管的功能增强与升级。尽管两者的应用领域有所重合,但IGBT模块因其内置的驱动和保护电路而大大简化了用户的安装过程。得益于新封装技术的运用,IGBT模块的性能得到了显著提升,进一步拓宽了其应用范围。
综上所述,在半导体领域中,我们更常遇到的是IGBT模块,而非单独的IGBT单管。
IGBT模块的三大核心特征多个IGBT芯片以绝缘方式被精心组装到金属基板上,确保了模块的安全与稳定。模块采用空心塑壳封装,与空气隔绝的材料选用高压硅脂或硅脂,配合其他软性绝缘材料,进一步增强了其绝缘性能。同一制造商、同一技术系列的产品,IGBT模块的技术特性与同等规格的IGBT单管保持高度一致,为用户提供可靠的性能保障。
IGBT模块的六大显著优势通过并联多个IGBT芯片,模块的电流规格得以显著提升,满足高电流应用的需求。模块内的IGBT芯片按照特定的电路形式组合,如半桥、全桥等,简化了外部电路连接的复杂性,提高了系统的整体效率。所有的IGBT芯片都处于同一个金属基板上,这相当于在独立的散热器与IGBT芯片之间增加了一块高效的均热板,从而确保了模块工作的可靠性。模块制造商在生产过程中对多个IGBT芯片进行了严格筛选,确保了其参数的一致性,优于市售的分立元件。与多个分立形式的单管进行外部连接相比,模块中多个IGBT芯片之间的连接具有更优的电路布局和更小的引线电感,进一步提升了模块的性能。模块的外部引线端子设计更适合高压和大电流连接,同时,同一制造商的同系列产品,模块的最高电压等级通常会比IGBT单管高-2个等级,为用户提供更高的安全保障。
IPM模块及其功能老化测试座IPM模块,即集成功率模块(IntelligentPowerModule),是一种将功率半导体器件(如IGBT、MOSFET等)与驱动电路高度集成的模块化组件。它专为驱动和控制高功率应用而设计,例如电机驱动器、逆变器等。通过集成控制电路、隔离电路以及高压驱动芯片等众多功能,IPM模块不仅简化了电路设计和布局,更提升了系统的可靠性和整体性能。此外,为了确保IPM模块的稳定性和耐用性,专门设计了功能老化测试座,以对其进行严格的老化测试和性能评估。IPM模块,这一集成功率模块,以其高集成度和高性能脱颖而出。它巧妙地将功率器件与驱动电路合二为一,不仅缩减了元器件数量和占用空间,更提升了系统的整体性能和稳定性。借助先进的封装技术及散热设计,IPM模块能轻松应对高工作电压和电流,展现出低开关损耗和封装热阻的优势,进一步增强了系统的效率和可靠性。
市面上主流的IPM模块封装形式多样,包括SIP封装、DIP封装、QFN封装以及TO封装,每种形式都针对不同的功率应用和散热需求进行优化。而为了充分评估IPM模块的性能和耐用性,专门设计的老化测试座不可或缺。它需具备温度控制、电源输入输出、电流电压测量以及脉冲测试等多项功能,从而为IPM模块的老化测试和功能验证提供全面支持。以TO测试座为例,该款测试座具备7mm的间距,可进行-℃范围内的老化测试,并支持长达小时、58个循环的持续测试。在功能测试方面,它能够进行50A/V的微秒级脉冲测试,从而有效评估IPM模块的开关速度和信号传输能力。
接下来,我们进一步探讨IGBT单管、IGBT模块和IPM模块之间的区别。IGBT单管,作为分立元件,其封装相对较小,通常电流限制在50A以下,常见封装形式包括TO和TO3P等。IGBT模块则是将多个IGBT芯片集成封装在一起,形成模块化产品,常见规格有in2in和6in等。
而IPM模块,即智能功率模块,不仅集成了IGBT芯片,还配备了门级驱动及多种保护功能,如过热保护、过压保护、过流保护和欠压保护等。这种模块化的设计使得IPM模块在性能和稳定性方面相较于传统的IGBT单管和模块具有显著优势。
此外,晶圆上的一个最小全功能单元被称为Cell或Chipcell,即芯片单元。每个芯片单元都是一个完整的微型晶体管,具有P-N-P-N四层结构,类似于一个微型的IGBT。在IGBT模块中,一个IGBT管芯构成模块的一个基本单元,也被称为模块单元或管芯。需要注意的是,模块单元与IGBT管芯的主要区别在于最终产品的封装形式:模块单元通常没有独立封装,而管芯则拥有独立的封装,形成一个完整的IGBT管。模块的控制端子不仅限于栅极G,还包括为栅极驱动信号提供参考电位的电极,例如副发射极(也称为第二射极)。这些电极都是从模块内部芯片上的端电极直接引出的,旨在减小主电路中大电流对栅极的影响。对于半桥、全桥等多电平电路模块,还存在诸如CE2等控制电极。总的来说,这些控制电极是与栅极协同工作的,不能用于主电路中的大电流传输。
此外,针对高电压大电流规格的IGBT产品,某些制造商提供了平板压接式封装,类似于大电流规格的SCR、GTO、IGCT的封装方式。这种单管产品的功率容量通常大于模块,但在行业内,它通常仍被视为单管,尽管其封装方式类似于模块。平板压接式封装,也被称为夹片式封装,需要专门的散热器来配合使用。