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IEGT (PPI & PMI)

注入增強型絕緣柵電晶體(IEGT)是用來開關大電流的電壓驅動型器件。由於通態電壓在大電流時急劇增加,製造高集電極-發射極電壓(Vces)的IGBT器件比較困難:IEGT採用了獨特的發射極結構來克服這一限制。IEGT卓越的關斷特性和安全工作區有助於降低功耗、縮小尺寸以及提升設備效率,因此IEGT是工業驅動和輸配電換流閥的理想開關器件。東芝的IEGT器件提供壓接(PPI)和模組(PMI)兩種封裝,您可以根據功率容量和負載特性選擇最匹配的產品。

目標應用

  • 用於高電壓直流(HVDC)傳輸的整流器
  • 靜止無功補償器(SVC)
  • 中壓逆變器

  • 軌道牽引
  • 地鐵和輕軌系統
  • 風力發電廠

IEGT特點

IEGT擁有良好的性能之外,東芝也是唯一實現IEGT兩種封裝類型的製造商,即壓接型和模組型。

考慮到兩種封裝各自的優點,東芝會根據客戶的需求選擇最適合的封裝。

採用新材料碳化矽製成的二極體混合模組將強化其應用優勢。

操作原理

  • IGBT的截面結構和限制集電極-發射極電壓的因素

圖A顯示了傳統IGBT的截面結構和N基極區的載流子分佈。從集電極到發射極,N基極區的載流子濃度單調遞減。為了增加IGBT的集電極-發射極電壓,集電極和發射極之間必須有一個深N基極區。但是,深N基極區將導致該區域的載流子濃度較低,隨之導致的電阻增加將加大壓降,進而將增加導通電壓。

  • IEGT柵極結構的特點和注入增強(IE)效果

圖B顯示了IEGT的截面結構和載流子分佈。IEGT具有與IGBT相似的結構,但是其柵極相比IGBT的柵極更深更寬。該結構增加了柵極至發射極的電阻,從而阻止了載流子通過發射極側。因此,N基極區中發射極附近的載流子濃度增加。因為這一現象與載流子注入和積聚具有相同的效果,所以也被稱為注入增強(IE)效果。即便是在高集電極-發射極電壓的條件下,該槽柵結構也有助於減小壓降。

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Figure A Cross-Sectional View of and Carrier Distribution in an IGBT

Because carrier concentration near the emitter is low, an increase in the collector-emitter voltage rating leads to an increase in on-state voltage.

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Figure B Cross-Sectional View of and Carrier Distribution in an IEGT

Carrier concentration near the emitter is enhanced near the emitter. Consequently, electron injection increases, reducing on-state voltage.

封裝概念

壓接型封裝

  • 使用壓力進行電氣連接
  • 因密閉封裝而具有高可靠性
  • 卓越的並聯操作技術
  • 抗斷裂封裝結構

模組型封裝

  • 易組裝模組
  • Al-SiC複合材料製成的底板

產品介紹

壓接型 IEGTs (PPIs)

PPI的所有電氣連接都通過壓力實現。因為沒有引線鍵合,PPI對熱疲勞的抵抗力較強。使用多個PPI串聯,即使少數幾個PPI因電氣故障或損壞而失效,仍可保證系統連續工作。其原因在於故障PPI的集電極和發射極發生了短路。PPI可以同時從集電極和發射極兩側進行冷卻。通過採用一個密封的陶瓷和金屬外殼,壓接型封裝具有高度的防潮性,所以可以浸入冷卻液進行高效冷卻。

PPI的特點

  • 使用壓力進行電氣連接

將多個IEGT晶片以陣列形式排列於同一平面上,用上下兩側鉬板將單個IEGT晶片從兩側均勻地壓接。每個IEGT晶片的集電極和發射極將在機械壓力的作用下通過鉬板與壓接型外殼的相應銅電極接觸。既實現了電氣連接又實現了散熱。

  • 因密閉封裝而具有高可靠性

將惰性氣體密封於壓接型封裝內部,以此防止電極因氧化反應而退化。因此,PPI提供很高的熱可靠性。

  • 卓越的並聯操作技術

內部的柵極引線板採用特殊設計用於同時開關所有並聯的IEGT晶片,這樣使它們在開關時不會干擾彼此和發生振盪。

  • 抗斷裂封裝結構

IEGT晶片位於樹脂框架中,即使晶片在開關過程中發生熔化或損壞也不易斷裂。

PPI安裝舉例

如右圖實例所示,三個串聯的PPI垂直壓接。

PPI位於散熱片之間,然後從上下兩側進行施力以將其牢牢固定。必須要進行精心設置以保證施加到PPI的壓力均勻。彈簧有助於減少熱收縮以保持恒定壓力。

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PPI 產品陣容

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

應用實例

用於高電壓直流(HVDC)輸電的整流器

HVDC輸電應用于遠端高效傳輸可再生能源,例如,從海上風力發電廠到用電現場。發電生成的交流電壓被轉變成直流電壓並通過長距離電纜傳輸到岸上。在接收端,直流電壓又被轉變成交流電壓以供應給電力消費者使用。PPI用於高壓整流器。

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靜止無功補償器(SVC)

SVC是用於改進傳輸網電力品質(例如:功率因數校正)的電氣設備。PPI作為高壓、大電流功率器件應用於有源SVC應用領域,比如靜止無功發生器(SVG)和靜止同步補償器(STATCOM)。

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中壓逆變器

PPI憑藉其方便串聯連接和雙面冷卻的特性,非常適用於大容量逆變器。

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模組型IEGT(PMI)

PMI可以旋緊至散熱片,從而簡化設備組裝。PMI採用一個具有低熱膨脹係數的Al-SiC底板,具有優化的內部結構和部件。所以,它們不易於產生熱疲勞,能改進功率迴圈能力進而延長使用壽命。PMI封裝採用高CTI*材料,所以它對於電痕破壞較不敏感,這樣就能改進封裝表面的隔離電壓。

*CTI (Comparative Tracking Index)

PMI的特點

  • 易於組裝

許多IEGT晶片採用焊接的方式安裝至陶瓷絕緣板上,並通過引線鍵合的方式連接至模組端子。塑膠模組易於使用,因為它從一側進行散熱,並且內部絕緣。

  • 底板採用Al-SiC複合材料製成

為確保熱可靠性,封裝底板採用了具有低熱膨脹係數的鋁碳化矽(Al-SiC)複合材料。

PMI安裝舉例

通過使用含有兩個IEGT的2合1型PMI,即可實現緊湊型逆變器電路。

右圖所示實例中採用了三個2合1型PMI。通過使用疊層母排可降低雜散電感。

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PMI 產品陣容

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


Circuit
Configuration

VCES

(V)

IC
(A)

Tj

(˚C)

Max

Test Condition
@IC (A) /

VGE(V)

Max

Test Condition
@IC (A) /

VGE (V)

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

**: Under development

應用實例

軌道牽引

PMI適用於在軌道交通系統(包括日本新幹線、捷運和城市軌道交通)中驅動牽引電機的逆變器和整流器應用。PMI有助於提高效率和節省能源。

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地鐵和輕軌系統

PMI也用於通過架空直流線供電以實現軌道牽引驅動的逆變器應用。

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風力發電廠

IEGT通常用於風力發電廠中的變流器,用於將風力轉變為電能。

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IEGT / SiC-SBD混合模組

對於軌道牽引電機控制系統的要求不僅包括低雜訊和舒適的乘坐體驗,還包括體積小、重量輕和能效高。為滿足這些要求,東芝開發了一款採用了碳化矽肖特基二極體(SiC-SBD)的模組型IEGT(PMI)。

 SiC: Silicon Carbide
PMI: Plastic Case Module IEGT

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IEGT / SiC-SBD混合模組產品陣容

Part Number Package Absolute Maximum Ratings VCE(sat)(V) VF(V) Circuit Configuration
VCES
(V)
IC
(A)
Tj
(˚C)
Max Test Condition
@IC (A)
/VGE(V)
Max
Test Condition
@IC(A)
/VGE(V)
MG1200V2YS71

PMI142C

1700

1200

150

3.8

1200 / 15

3.5

1200 / 0

2in1

MG1500FXF1US71

PMI193D

3300

1500

150

3.8

1500 / 15

4.6

1500 / 0

1in1

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