電力電子技術(shù)課程總結(jié)(編輯修改稿)
2024-10-13 19:47 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 高壓場合，所以驅(qū)動電路必須與整個控制電路在電位上完全隔離。三、存在的問題因為IGBT工作時，其漏極區(qū)（p+區(qū)）將要向漂移區(qū)（n區(qū)）注入少數(shù)載流子——空穴，則在漂移區(qū)中存儲有少數(shù)載流子電荷；當(dāng)IGBT關(guān)斷（柵極電壓降為0）時，這些存儲的電荷不能立即去掉，從而IGBT的漏極電流也就相應(yīng)地不能馬上關(guān)斷，即漏極電流波形有一個較長時間的拖尾——關(guān)斷時間較長（10～50ms）。所以IGBT的工作頻率較低。為了縮短關(guān)斷時間，可以采用電子輻照等方法來降低少數(shù)載流子壽命，但是這將會引起正向壓降的增大等弊病。IGBT中存在有寄生晶閘管—MOS柵控的n+pnp+晶閘管結(jié)構(gòu)，這就使得器件的最大工作電流要受到此寄生晶閘管閉鎖效應(yīng)的限制（采用陰極短路技術(shù)可以適當(dāng)?shù)販p弱這種不良影響）。四、研究現(xiàn)狀最近20年中，IGBT的發(fā)展很快，技術(shù)改進方案很多，并且實用化。每種改進措施的采取，都會把IGBT的性能向前推進。其中，最重要的還是不斷把“通態(tài)壓降—開關(guān)時間”的矛盾處理到更為優(yōu)化的折衷點。不同公司宣布自己研制生產(chǎn)的IGBT進入了第X代。但是，總體看，隨著重大技術(shù)改進措施的成功，可以把IGBT的演變歸納成以下五代。（1）第一代：即平面柵(PT)型。它提出了在功率MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)中引入一個漏極側(cè)pn結(jié)以提供正向注入少數(shù)載流子實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制來降低通態(tài)壓降的基本方案。（2）第二代：采用緩沖層，精密控制圖形和少子壽命的平面柵穿通（PT）型外延襯底IGBT。器件縱向采用n′緩沖層，既可以減薄有效基區(qū)厚度和硅片總厚度來減小通態(tài)壓降，又能降低該發(fā)射結(jié)的注入系數(shù)，以抑制“晶閘管效應(yīng)”。器件橫向（平面）采用精密圖形，減少每個元胞的尺寸，提高器件的開關(guān)速度。再采用專門的擴鉑與快速退火措施，以控制基區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子壽命的較合理分布。這樣的IGBT耐壓達(dá)到1200V，鎖定效應(yīng)得到有效抑制。這時，IGBT已經(jīng)充分實用化了。（3）第三代：溝槽柵（Trench gate）型IGBT。這一代IGBT采取溝槽柵結(jié)構(gòu)代替平面柵。在平面柵結(jié)構(gòu)中，電流流向與表面平行的溝道時，柵極下面由P阱區(qū)圍起來的一個結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）是電流的必經(jīng)之路，它成為電流通道上的一個串聯(lián)電阻。在溝槽柵結(jié)構(gòu)中，這個柵下面的JFET是被干法刻蝕的工藝很好地挖去了，連同包圍這個區(qū)域、延伸到原來柵極下構(gòu)成溝道的部分P區(qū)層也都挖掉。于是n+發(fā)射源區(qū)和留下的P區(qū)層就暴露在該溝槽的側(cè)壁，通過側(cè)壁氧化等一系列特殊加工，側(cè)壁氧化層外側(cè)的P區(qū)內(nèi)形成了垂直于硅片表面的溝道。（4）第四代：非穿通（NPT）型IGBT。隨著阻斷電壓突破2000V的需求，IGBT中隨承受電壓的基區(qū)寬度超過150微米。這時靠高阻厚外延來生成硅襯底的做法，不僅十分昂貴（外延成本同外延層厚度成正比），而且外延層的摻雜濃度和外延層厚度的均勻性都難以保證。這時，采用區(qū)熔單晶硅片制造IGBT的呼聲日漸成熟，成本可以大為降低，晶體完整性和均勻性得到充分滿足。（5）第五代：電場截止（FS）型。當(dāng)單管阻斷電壓進一步提高，硅片的基區(qū)厚度就會急劇增加。于是，IGBT的通態(tài)壓降勢必隨其耐壓的提高而增大。FS型IGBT吸收了PT型和NPT型兩類器件的優(yōu)點，形成硅片厚度比NPT型器件薄約1/又保持正電阻溫度系數(shù)單極特征的各項優(yōu)點。五、發(fā)展趨勢IGBT作為電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件，各種新結(jié)構(gòu)、新工藝及新材料技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)，推動著IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展，其功耗不斷降低，工作結(jié)溫不斷升高，從125℃提升到了175℃并向200℃邁進，并可以在芯片上集成體二極管，形成逆導(dǎo)IGBT(RCIGBT/BIGT)，無需再反并聯(lián)續(xù)流二極管，在相同的封裝尺寸下，可將模塊電流提高30%，還可以將電流及溫度傳感器集成到芯片內(nèi)部，實現(xiàn)芯片智能化。IGBT芯片內(nèi)部集成傳感器通過對IGBT芯片的邊緣結(jié)構(gòu)進行隔離處理，可以形成具有雙向阻斷能力的IGBT(RBIGBT),在雙向開關(guān)應(yīng)用中無需再串聯(lián)二極管，并具有更小的漏電流及更低的損耗。與此同時，IGBT的工藝水平也在不斷提升，許多先進工藝技術(shù)，如離子注入、精細(xì)光刻等被應(yīng)用到IGBT制造上。IGBT芯片制造過程中的最小特征尺寸已由5um，到3um，到1um，甚至達(dá)到亞微米的水平。采用精細(xì)制造工藝可以大幅提高功率密度，同時可以降低結(jié)深，減小高溫擴散工藝，從而使采用12英寸甚至更大尺寸的硅片來制造IGBT成為可能。隨著薄片與超薄片加工工藝的發(fā)展，英飛凌在8英寸硅片上制造了厚度只有40um的芯片樣品，不久的未來有望實現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用。此外，新材料如寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，可以實現(xiàn)更低功耗、更大功率容量、更高工作溫度的器件，其中SiC成為目前的大功率半導(dǎo)體的主要研究方向，并在單極器件上實現(xiàn)商品化，在IGBT等雙極器件的研究上也不斷取得進展。目前IGBT主要受制造工藝及襯底材料的缺陷限制，例如溝道遷移率及可靠性、電流增益較小及高摻雜P型襯底生長等問題，未來隨著材料外延技術(shù)的發(fā)展，SiC IGBT將會實現(xiàn)突破。參考文獻[1] 王兆安，黃俊電力電子技術(shù)[M].：機械工業(yè)出版社，2000.[2] [M].北京：機械工業(yè)出版社，1992 [3] 周志敏，周紀(jì)海，北京：人民郵電出版社，[4] 劉國友, 羅海輝, IGBT芯片均勻性及其對可靠性的影響[J]，機車電傳動，2013, (02)69第二篇：“電力電子技術(shù)”課程建設(shè)初探（定稿）摘要：《電力電子技術(shù)》是電氣工程及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是主干課程，其課程建設(shè)應(yīng)適應(yīng)專業(yè)特點和學(xué)科建設(shè)的需要。本文提出從理論教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、實驗教學(xué)項目開發(fā)、教材建設(shè)及師資隊伍建設(shè)等幾個方面開展課程建設(shè)，使教學(xué)內(nèi)容與工程應(yīng)用相結(jié)合，使綜合實驗項目符合學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，使教材內(nèi)容與電力電子技術(shù)領(lǐng)域的科技發(fā)展水平相同步，使團隊教師的教學(xué)理念、教學(xué)水平和教學(xué)能力等綜合素質(zhì)獲得顯著提高。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；課程建設(shè)；初探中圖分類號： 文獻標(biāo)志碼：a 文章編號：16749324（2014）24027102一、本課程存在的問題，過多的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)超出了學(xué)生的承受能力，教學(xué)內(nèi)容枯燥繁雜，缺乏聯(lián)系實際情況，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力難以達(dá)到預(yù)期的效果，不符合應(yīng)用型大學(xué)新型技術(shù)技能人才的培養(yǎng)目標(biāo)，比如陳堅的《電力電子學(xué)》教材。，比如晶閘管作為典型的半控型器件，在20世紀(jì)90年代前
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