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IEGT(PPI & PMI)

注入增强型绝缘栅晶体管(IEGT)是用来开关大电流的电压驱动型器件。由于通态电压在大电流时急剧增加,制造高集电极-发射极电压(Vces)的IGBT器件比较困难:IEGT采用了独特的发射极结构来克服这一限制。IEGT卓越的关断特性和安全工作区有助于降低功耗、缩小尺寸以及提升设备效率,因此IEGT是工业驱动和输配电换流阀的理想开关器件。东芝的IEGT器件提供压接(PPI)和模块(PMI)两种封装,您可以根据功率容量和负载特性选择最匹配的产品。

目标应用

  • 用于高电压直流(HVDC)传输的整流器
  • 静止无功补偿器(SVC)
  • 中压逆变器

  • 轨道牵引
  • 地铁和轻轨系统
  • 风力发电厂

IEGT的特点

IEGT拥有良好的性能之外,东芝也是唯一实现IEGT两种封装类型的制造商,即压接型和模块型。

考虑到两种封装各自的优点,东芝会根据客户的需求选择最适合的封装。

采用新材料碳化硅制成的二极管混合模块将强化其应用优势。

操作原理

  • IGBT的截面结构和限制集电极-发射极电压的因素

图A显示了传统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。

  • IEGT栅极结构的特点和注入增强(IE)效果

图B显示了IEGT的截面结构和载流子分布。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(IE)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。

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图A IGBT的截面视图和载流子分布

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。

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图B IEGT的截面视图和载流子分布

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。

封装概念

压接型封装

  • 使用压力进行电气连接
  • 因密闭封装而具有高可靠性
  • 卓越的并联操作技术
  • 抗断裂封装结构

模块型封装

  • 易组装模块
  • Al-SiC复合材料制成的底板

产品介绍

压接型IEGT(PPI)

PPI的所有电气连接都通过压力实现。因为没有引线键合,PPI对热疲劳的抵抗力较强。使用多个PPI串联,即使少数几个PPI因电气故障或损坏而失效,仍可保证系统连续工作。其原因在于故障PPI的集电极和发射极发生了短路。PPI可以同时从集电极和发射极两侧进行冷却。通过采用一个密封的陶瓷和金属外壳,压接型封装具有高度的防潮性,所以可以浸入冷却液进行高效冷却。

PPI的特点

  • 使用压力进行电气连接

将多个IEGT芯片以阵列形式排列于同一平面上,用上下两侧钼板将单个IEGT芯片从两侧均匀地压接。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与压接型外壳的相应铜电极接触。既实现了电气连接又实现了散热。

  • 因密闭封装而具有高可靠性

将惰性气体密封于压接型封装内部,以此防止电极因氧化反应而退化。因此,PPI提供很高的热可靠性。

  • 卓越的并联操作技术

内部的栅极引线板采用特殊设计用于同时开关所有并联的IEGT芯片,这样使它们在开关时不会干扰彼此和发生振荡。

  • 抗断裂封装结构

IEGT芯片位于树脂框架中,即使芯片在开关过程中发生熔化或损坏也不易断裂。

PPI安装举例

如右图实例所示,三个串联的PPI垂直压接。

PPI位于散热片之间,然后从上下两侧进行施力以将其牢牢固定。必须要进行精心设置以保证施加到PPI的压力均匀。弹簧有助于减少热收缩以保持恒定压力。

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PPI产品阵容

Part Number Package Absolute Maximum Ratings VCE(sat)(V) VF(V)

VCES

(V)

IC
(A)

Tj

(˚C)

Max Test Condition
@IC (A) / VGE(V)
Max
Test Condition
@IC (A) / VGE (V)
ST1200FXF24 PPI85B 3300 1200 125 4.2 1200 / 15 3.8 1200 / 0
ST750GXH24 PPI85B 4500 750 125 4.0 750 / 15 4.2 750 / 0
ST1200GXH24A PPI85B 4500 1200 125 3.8 1200 / 15
ST1500GXH24 PPI125A2 4500 1500 125 4.0 1500 / 15 4.2 1500 / 0
ST2100GXH24A PPI125A2 4500 2100 125 4.0 2100 / 15

应用实例

用于高电压直流(HVDC)输电的整流器

HVDC输电应用于远程高效传输可再生能源,例如,从海上风力发电厂到用电现场。发电生成的交流电压被转变成直流电压并通过长距离电缆传输到岸上。在接收端,直流电压又被转变成交流电压以供应给电力消费者使用。PPI用于高压整流器。

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静止无功补偿器(SVC)

SVC是用于改进传输网电力质量(例如:功率因数校正)的电气设备。PPI作为高压、大电流功率器件应用于有源SVC应用领域,比如静止无功发生器(SVG)和静止同步补偿器(STATCOM)。

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中压逆变器

PPI凭借其方便串联连接和双面冷却的特性,非常适用于大容量逆变器。

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模块型IEGT(PMI)

PMI可以旋紧至散热片,从而简化设备组装。PMI采用一个具有低热膨胀系数的Al-SiC底板,具有优化的内部结构和部件。所以,它们不易于产生热疲劳,能改进功率循环能力进而延长使用寿命。PMI封装采用高CTI*材料,所以它对于电痕破坏较不敏感,这样就能改进封装表面的隔离电压。

*CTI(相对漏电起痕指数)

PMI的特点

  • 易于组装

许多IEGT芯片采用焊接的方式安装至陶瓷绝缘板上,并通过引线键合的方式连接至模块端子。塑料模块易于使用,因为它从一侧进行散热,并且内部绝缘。

  • 底板采用Al-SiC复合材料制成

为确保热可靠性,封装底板采用了具有低热膨胀系数的铝碳化硅(Al-SiC)复合材料。

PMI安装举例

通过使用含有两个IEGT的2合1型PMI,即可实现紧凑型逆变器电路。

右图所示实例中采用了三个2合1型PMI。通过使用叠层母排可降低杂散电感。

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PMI产品阵容

器件型号 封装 额定最大值 VCE(sat)(V) VF(V)


电路配置

VCES

(V)

IC
(A)

Tj

(˚C)

最大值

测量条件
@IC(A)/

VGE(V)

最大值

测量条件
@IC(A)/

VGE(V)

MG1200V2YS61** PMI142C 1700
1200 150 TBD 1200/15 TBD 1200/0 2合1
MG400FXF2YS53 PMI143C 3300
400 125 4.5 400/15 3.5
400/0 2合1
MG500FXF2YS61 PMI142C 3300 500 150 4.6
500/15 4.1
500/0
2合1
MG800FXF1US53 PMI143B 3300 800 125 4.5 800/15 3.5
800/0 1合1
MG1200FXF1US53 PMI193 3300 1200 125 4.5 1200/15 3.5
1200/0
1合1
MG1500FXF1US62 PMI193D 3300 1500 150 3.8 1500/15 3.8 1500/0 1合1
MG1500FXF1US63 PMI193D 3300 1500 150 3.8 1500 / 15 3.8 1500 / 0 1 in 1
MG900GXH1US53 PMI193 4500 900 125 4.7
900/15 3.8 900/0 1合1
MG1200GXH1US61 PMI193D 4500 1200 150 4.0 1200/15 3.6 1200/0 1合1

**:研发中

应用实例

轨道牵引

PMI适用于在轨道交通系统(包括日本新干线、捷运和城市轨道交通)中驱动牵引电机的逆变器和整流器应用。PMI有助于提高效率和节省能源。

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地铁和轻轨系统

PMI也用于通过架空直流线供电以实现轨道牵引驱动的逆变器应用。

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风力发电厂

IEGT通常用于风力发电厂中的变流器,用于将风力转变为电能。

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IEGT / SiC-SBD混合模块

对于轨道牵引电机控制系统的要求不仅包括低噪声和舒适的乘坐体验,还包括体积小、重量轻和能效高。为满足这些要求,东芝开发了一款采用了碳化硅肖特基二极管(SiC-SBD)的模块型IEGT(PMI)。

SiC:碳化硅
PMI:模块型IEGT

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IEGT / SiC-SBD混合模块产品阵容

器件型号 封装 额定最大值 VCE(sat)(V) VF(V) 电路配置
VCES
(V)
IC
(A)
Tj
(˚C)
最大值 测试条件
@IC(A)
/VGE(V)
最大值
测试条件
@IC(A)
/VGE(V)
MG1200V2YS71

PMI142C

1700

1200

150

3.8

1200/15

3.5

1200/0

2合1

MG1500FXF1US71

PMI193D

3300

1500

150

3.8

1500/15

4.6

1500/0

1合1

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