《國家標(biāo)準(zhǔn)》IGBT基礎(chǔ)與運用

1、IGBT的材料籌備了一段時間，也找了不少的資料將準(zhǔn)備開始整理和學(xué)習(xí)IGBT的資料有很多，如果想找，可以在 baidu文檔里面找中文的資料，也可以在 google找pdf的英文資 料。粗略看起來較為詳細(xì)的有：富士 IGBT應(yīng)用手冊，三菱第五代IGBT應(yīng)用手冊。而英飛凌的網(wǎng)站上的 資料也較為齊整，都是英文的兄弟們可參詳。IGBT ,中文名字為絕緣柵雙極型晶體管，它是由 MOSFET （輸入級）和PNP晶體管（輸出級）復(fù)合而成 的一種器件，既有 MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的特點（控制和響應(yīng)），又有雙極型器件飽和 壓降低而容量大的特點（功率級較為耐用），頻率特性介于MOSFET與功率晶體管

2、之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)。理想等效電路與實際等效電路如圖所示:理想等效電路IGBT的靜態(tài)特性一般用不到，暫時不用考慮，重點考慮動態(tài)特性（開關(guān)特性）動態(tài)特性的簡易過程可從下面的表格和圖形中獲取:外通時向 (Tuni-<FtitoilIGBT加通時.VtE I ff fiJOV肝,Vce卜降上聞大假 :性2%，.的啊|i.上升時間uIGBT，一通利,從。電網(wǎng)M 1升f 1 R IQ2加.力 如到Vce下降利1，肺的10%為止的時間(Raise tinip)Ei)igbtbIE從義冏山漁上升到風(fēng)大值的HHbF 瓜 到達(dá)劃90%為止帕?xí)r間關(guān)斯附間(Turn off time)tof

3、fIGBT關(guān)慚時1人如湛下降到七人棺的90%時開始，到 篥電極電流也卜降電流的切坡上卜僻到10%為止的時 間卜降時間(Fall time)ilIGBT關(guān)新時，集電梢電流從最大值的90%腎始.在下 鼾業(yè)流的切線上卜降刊10%為小的附間反向恢電陽MJ'.r ktOWi v (itudtm列內(nèi)優(yōu)他甘中的反同域域電流消失為1I:所濡度峋時反向恢復(fù)電流(Hi.-wr'.r fl V i ii rrliUIn1 Ji pl到內(nèi)r二量管中正方向電流斷時反方向at動的電流 加f -IIIGBT的開通過程IGBT在開通過程中，分為幾段時間1 .與MOSFET類似的開通過程，也是分為三段的充電時間

4、2 .只是在漏源DS電壓下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和過程中增加了一段延遲時間。在上面的表格中，定義了了：開通時間Ton,上升時間Tr和H.i除了這兩個時間以外，還有一個時間為開通延遲時間td.on:td.on=Ton-T匚iIGBT在關(guān)斷過程IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。第一段是按照MOS管關(guān)斷的特性的第二段是在MOSFET關(guān)斷后，PNP晶體管上存儲的電荷難以迅速釋放，造成漏極電流較長的尾部時間在上面的表格中，定義了了：關(guān)斷時間Toff,下降時間Tf和Tf.i除了表格中以外，還定義trv為DS端電壓的上升時間和關(guān)斷延遲時間 td(off)。漏極電流的下降時間Tf由圖

5、中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而總的關(guān)斷時間可以稱為toff=td(off)+trv十t(f),td(off)+trv之和又稱為存儲時間。從下面圖中可看出詳細(xì)的柵極電流和柵極電壓，CE電流和CE電壓的關(guān)系：從另外一張圖中細(xì)看MOS管與IGBT管柵極特性可能更有一個清楚的概念: 開啟過程升啟道把<"人"C4/ W#虹色力匚和If關(guān)斷過程d，“J閆而常聞Charge iwMCKFET2mll打/IGBT基礎(chǔ)與運用-2嘗試去計算IGBT的開啟過程，主要是時間和門電阻的散熱情況。1郵誦觀frt7Hh t FrtnviCOLLECTORGATEEMITTERC.GE柵極-

6、發(fā)射極電容C.CE集電極-發(fā)射極電容C.GC門級-集電極電容（米勒電容）'七 E -f = 'VHZCies = CGE + CGC 輸入電容Cres = CGC反向電容Coes = CGC + CCE 輸出電容根據(jù)充電的詳細(xì)過程，可以下圖所示的過程進(jìn)行分析對應(yīng)的電流可簡單用下圖所示:第1階段：柵級電流對電容 CGE進(jìn)行充電，柵射電壓 VGE上升到開啟閾值電壓 VGE(th)。這個過程電流很大，甚至可以達(dá)到幾安培的瞬態(tài)電流。在這個階段，集電極是沒有電流的，極電壓也沒有變化，這段時間也就是死區(qū)時間，由于只對GE電容充電，相對來說這是比較容易計算的，由于我們采用電壓源供電，這段曲線

7、確實是一階指數(shù)曲線。第2階段：柵極電流對 Cge和Cgc電容充電，IGBT的開始開啟的過程了，集電極電流開始增加，達(dá)到最大負(fù)載電流電流IC ,由于存在二極管的反向恢復(fù)電流，因此這個過程與MOS管的過程略有不同，同時柵極電壓也達(dá)到了米勒平臺電壓。第3階段：柵極電流對 Cge和Cgc電容充電，這個時候 VGE是完全不變的，值得我們注意的是Vce的變化非常快。第4階段：柵極電流對 Cge和Cgc電容充電，隨著 Vce緩慢變化成穩(wěn)態(tài)電壓，米勒電容也隨著電壓的減小而增大。Vge仍舊維持在米勒平臺上。第5階段：這個時候柵極電流繼續(xù)對 Cge充電，Vge電壓開始上升，整個IGBT完全打開。我的一個同事在做這

8、個將整個過程等效為一階過程。如果以這個電路作為驅(qū)動電路的話：171614_!5-/RST VCC2/FIT GESATINtIN-NCRDYVCC16HL'1GND1GND1GND1CD32011 2聲4u-/2S7,'X711UVEE2VEE2VEE：VEE 2工廠2CZZZ4uW25V/X7RCOLE31CCOLSP.1EJ1-CA3ND-lD0n/50V/X7RGNC驅(qū)動的等效電路可以表示為:利用RC的充放電曲線可得出時間和電阻的功率。這么算的話，就等于用指數(shù)曲線，代替了整個上升過程，結(jié)果與等效的過程還是有些差距的。不過由于C.GE , C.CE , C.GC是變化的，而

9、且電容兩端的電壓時刻在變化，我們無法完全整理出一條思路來很多供應(yīng)商都是推薦使用 Qg來做運算，計算方法也可以整理出來，唯一的變化在于Qg是在一定條件下測定的，我們并不知道這種做法的容差是多 少。VGEtVJQg = Cg X ( Vg(oh) G(off)Cg =kcxCm電容系數(shù)kc=-_ _G電s x(vGfonj vGoff j)Qg 二 kc Xies X(G(on) - Gfoff)我覺得這種做法的最大的問題是把整個Tsw全部作為充放電的時間，對此還是略有些疑惑的Qg = idt wQgE = GE X %詞'QgC = iGC 又 UwQg = Qge + Qgg = Qg

10、e +1gc)x %評L = Qe + Qc = Qg xswIg = kc x CIGS x(VG(onj - VG(offj)xfswPgd(qm)= Qg x Wg)-或(時)乂Pgd3)= % x C3 x(VG(onj - VG(offj)2 xfswVgg+ = +5VVGG. = -8V說說我個人的看法，對這個問題，定量的去計算得到整個時間非常困難，其實就是仿真也是通過數(shù)字建模之后進(jìn)行實時計算的結(jié)果，這個模型與實 際的條件進(jìn)行對比也可能有很大的差距。因此如果有人要核算整個柵極控制時序和時間，利用電容充電的辦法大致給出一個很粗略的結(jié)果是可以的，如果要精確的，算不出來。對于門級電阻來

11、說，每次開關(guān)都屬于瞬態(tài)功耗，可以使用以前介紹過的電阻的瞬態(tài)功率進(jìn)行驗算吧。電阻抗脈沖能力我們選電阻的大小是為了提供足夠的電流，也是為了足夠自身散熱情況。前級的三極管，這個三極管的速度要非?？欤駝t如果進(jìn)入飽和的時間不夠短，在充電的時候?qū)⒖赡苡秀Q制作用，因此我對于這個電路的看法是一 定要做測試?？蛰d的和帶負(fù)載的，可能情況有很大的差異。柵極驅(qū)動的改進(jìn)歷程和辦法（針對米勒平臺關(guān)斷特性）事 1 Botlon Ki IT 削前 idum-h 4ue口的 EM*HVDCI ign 上 XiM Orii jnd Ofi rnBlatFjirf tmigFiguri 4.1川初 Ybp+HVOCIGBT基礎(chǔ)與

12、運用-3前面都講了一些計算的東西，這次總結(jié)一些設(shè)計法則IGBT集電極電壓的尖脈沖值。dv/dt的誤導(dǎo)通。缺點是電路中存在雜散電感在IGBT柵極電阻：其目的是改善控制脈沖上升沿和下降沿的斜率，并且防止寄生電感與電容振蕩，限制柵極電阻值小充放電較快，能減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗，增強工作的耐固性，避免帶來因 上產(chǎn)生大的電壓尖峰，使得柵極承受噪聲能力小，易產(chǎn)生寄生振蕩。柵極電阻值大一一充放電較慢，開關(guān)時間和開關(guān)損耗增大上腹特性+Vge±/I- Vge二升Rg上升V rEiRtit)減小ton Eun減小增加"toffE Q任減小增加開通浪涌電壓增加減小關(guān)斷浪涌電壓增加減小dv/dt誤

13、觸發(fā)增加減小減小電流限制值增加減小短路最大耐受量降低增加（減?。┾夥派潆s波增加減小一般的：開通電壓 15V+ 10%的正柵極電壓，可產(chǎn)生完全飽和，而且開關(guān)損耗最小，當(dāng) <12V時通態(tài)損耗加大，>20V時難以實現(xiàn)過流及短路保護。關(guān)斷偏壓-5至115V目的是出現(xiàn)噪聲仍可有效關(guān)斷，并可減小關(guān)斷損耗最佳值約為-810V。柵極參數(shù)對電路的影響IGBT內(nèi)部的續(xù)流二極管的開關(guān)特性也受柵極電阻的影響，并也會限制我們選取柵極阻抗的最小值。IGBT的導(dǎo)通開關(guān)速度實質(zhì)上只能與所用續(xù)流二極管反向恢復(fù)特性相兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過電壓應(yīng)力，而且由于IGBT模塊中di/dt的增大，也增

14、大了續(xù)流二極管的過壓極限。柵極電阻與關(guān)斷變化圖柵極驅(qū)動的印刷電路板布線需要非常注意，核心問題是降低寄生電感，對防止?jié)撛诘恼袷?，柵極電壓上升速率，噪音損耗的降低，降低柵極電壓的 需求或減小柵極保護電路的效率有較大的影響。門極驅(qū)動甩路寄生電愿_JYn_r電壓變化cgt tc措施因此將驅(qū)動至柵極的引線加粗，將之間的寄生電感減至最低?？刂瓢迮c柵極驅(qū)動電路需要防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。負(fù)載阻性負(fù)載時采用絞線 感性負(fù)載時增大緩沖 電路的吸收容量為減小配線電感應(yīng)使 回路面積盡可能小用于高速變頻器的電解電 容由并列薄膜電容構(gòu)成當(dāng)控制板和IGBT控制端子不能直接連接時，考慮用雙股絞線（2轉(zhuǎn)/CM小于

15、3CM長）或帶狀線，同軸線進(jìn)行連接。柵極保護為了保險起見，可采用 TVS等柵極箝位保護電路，考慮放置于靠近IGBT模塊的柵極和發(fā)射極控制端子附近。IGBT基礎(chǔ)與運用-2中英飛凌的電路比較典型。耦合干擾與噪聲IGBT的開關(guān)會使用相互電位改變，PCB板的連線之間彼此不宜太近，過高的 dv/dt會由寄生電容產(chǎn)生耦合噪聲。要減少器件之間的寄生電容，避免產(chǎn)生耦合噪聲。由于IGBT等功率器件都存在一定的結(jié)電容，所以會造成器件導(dǎo)通關(guān)斷的延遲現(xiàn)象。雖然我們盡量考慮去降低該影響（提高控制極驅(qū)動電壓電流， 設(shè)置結(jié)電容釋放回路等）。但是為了防止關(guān)斷延遲效應(yīng)造成上下橋臂直通，因為一個橋臂未完全關(guān)斷，而另一橋臂又處于導(dǎo)通狀態(tài)，直通炸模塊后后 果非常嚴(yán)重（最好的結(jié)果是過熱）。死區(qū)時間（空載時間）設(shè)置us級，典型數(shù)值在3us以上。在控制中，人為加入上下橋臂同時關(guān)斷時間，以保證驅(qū)動的安全性。死區(qū)時間大，模塊工作更加可靠，但會帶來輸出波形的失真及降低輸出效率。死區(qū)時間小，輸出波形要好一些，只是會降低可靠性，一般為上支路門極信號HONOFFON下支路門極信號11OFFONOFF空載時間在汽車電子應(yīng)用中，特別要注意環(huán)境溫度對toff的影響很大，使得toff延長，并且柵極電阻的加入也是的關(guān)斷時間受一定的影響，因此需要進(jìn)行調(diào)整。IGBT柵極引起的問題列表（紅色部