IGBT工作原理

1、    IGBT 的工作原理和工作特性     IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。 IGBT的驅(qū)動方法和 MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。     當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴（少子），對N一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。 

2、    IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類：     1 靜態(tài)特性:IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。     IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似也可分為飽和區(qū) 1 、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+

3、緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。     IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。     IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極

4、低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示                    Uds(on) Uj1 Udr IdRoh      式中 Uj1 JI 結(jié)的正向電壓，其值為 0.7 IV ；         Udr 擴展

5、電阻 Rdr 上的壓降；         Roh 溝道電阻。    通態(tài)電流 Ids 可用下式表示：                         Ids=(1+Bpnp)Imos         

6、  式中 Imos 流過 MOSFET 的電流。    由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V 的IGBT通態(tài)壓降為23V 。       IGBT處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。      2 動態(tài)特性IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間，tri 為電流上升時間。實際應(yīng)用中常

7、給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成，如圖 2 58 所示          IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗?MOSFET 關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間， td(off)為關(guān)斷延遲時間， trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖 2 59 中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時間      

8、60;                    t(off)=td(off)+trv 十 t(f) （ 2 16 ） 式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲時間。       IGBT的保護絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作

9、是MOS輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器件驅(qū)動簡單和快速的優(yōu)點，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點，因而，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在中大功率的開關(guān)電源裝置中，IGBT由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關(guān)電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統(tǒng)的前級，由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大，故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護設(shè)計也是電源設(shè)計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)。1 I

10、GBT的工作原理IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；流過IGBT集電極發(fā)射極的電流；IGBT的結(jié)溫。如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；

11、同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極發(fā)射極的電流超過集電極發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞。2 保護措施在進行電路設(shè)計時，應(yīng)針對影響IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相應(yīng)的保護措施。21 IGBT柵極的保護IGBT的柵極發(fā)射極驅(qū)動電壓VGE的保證值為±20V，如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓，則可能會損壞IGBT，因此，在IGBT的驅(qū)動電路中應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵壓限幅電路。另外，若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路，而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于柵

12、極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極發(fā)射極有電流流過。這時若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時，可能會使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開，在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會損壞。為防止此類情況發(fā)生，應(yīng)在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十k的電阻，此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極。如圖2所示。由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復(fù)合體，特別是其柵極為MOS結(jié)構(gòu)，因此除了上述應(yīng)有的保護之外，就像其他MOS結(jié)構(gòu)器件一樣，IGBT對于靜電壓也是十分敏感的，故而對IGBT進行裝配焊接作業(yè)時也必須注意以下事項：在需要用手

13、接觸IGBT前，應(yīng)先將人體上的靜電放電后再進行操作，并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動端子部分，必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉；在焊接作業(yè)時，為了防止靜電可能損壞IGBT，焊機一定要可靠地接地。22 集電極與發(fā)射極間的過壓保護過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況，一種是施加到IGBT集電極發(fā)射極間的直流電壓過高，另一種為集電極發(fā)射極上的浪涌電壓過高。2.2.1 直流過電壓直流過壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時，進行降額設(shè)計；另外，可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入，保證IGBT的安全。2.2.2 浪涌電壓的保護因為電路中分布電感的存

14、在，加之IGBT的開關(guān)速度較高，當(dāng)IGBT關(guān)斷時及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時，就會產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt，威脅IGBT的安全。通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示。圖中：vCE為IGBT?電極發(fā)射極間的電壓波形；ic為IGBT的集電極電流；Ud為輸入IGBT的直流電壓；VCESP=UdLdic/dt,為浪涌電壓峰值。如果VCESP超出IGBT的集電極發(fā)射極間耐壓值VCES，就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：在選取IGBT時考慮設(shè)計裕量；在電路設(shè)計時調(diào)整IGBT驅(qū)動電路的Rg，使di/dt盡可能??；盡量將電解電容靠近IGBT安裝，以減小分布電感；根據(jù)情況加裝緩沖保護電路，旁路

15、高頻浪涌電壓。由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用，在此將緩沖保護電路的類型和特點作一介紹。C緩沖電路如圖4(a)所示，采用薄膜電容，靠近IGBT安裝，其特點是電路簡單，其缺點是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成LC諧振電路，易產(chǎn)生電壓振蕩，而且IGBT開通時集電極電流較大。RC緩沖電路如圖4(b)所示，其特點是適合于斬波電路，但在使用大容量IGBT時，必須使緩沖電阻值增大，否則，開通時集電極電流過大，使IGBT功能受到一定限制。RCD緩沖電路如圖4(c)所示，與RC緩沖電路相比其特點是，增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大，避開了開通時IGBT功能受阻的問題。該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損

16、耗為P=LI2fCUd2f式中：L為主電路中的分布電感；I為IGBT關(guān)斷時的集電極電流；f為IGBT的開關(guān)頻率；C為緩沖電容；Ud為直流電壓值。放電阻止型緩沖電路如圖4(d)所示，與RCD緩沖電路相比其特點是，產(chǎn)生的損耗小，適合于高頻開關(guān)。在該緩沖電路中緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗為P=1/2LI2f+1/2CUf根據(jù)實際情況選取適當(dāng)?shù)木彌_保護電路，抑制關(guān)斷浪涌電壓。在進行裝配時，要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感，接線越短越粗越好。    23 集電極電流過流保護對IGBT的過流保護，主要有3種方法。2.3.1 用電阻或電流互感器檢測過流進行保護如圖5（a）及圖5（b

17、）所示，可以用電阻或電流互感器與IGBT串聯(lián)，檢測流過IGBT集電極的電流。當(dāng)有過流情況發(fā)生時，控制執(zhí)行機構(gòu)斷開IGBT的輸入，達到保護IGBT的目的。2.3.2 由IGBT的VCE(sat)檢測過流進行保護如圖5（c）所示，因VCE(sat)=IcRCE(sat)，當(dāng)Ic增大時，VCE(sat)也隨之增大，若柵極電壓為高電平，而VCE為高，則此時就有過流情況發(fā)生，此時與門輸出高電平，將過流信號輸出，控制執(zhí)行機構(gòu)斷開IGBT的輸入，保護IGBT。2.3.3 檢測負載電流進行保護此方法與圖5（a）中的檢測方法基本相同，但圖5（a）屬直接法，此屬間接法，如圖5（d）所示。若負載短路或負載電流加大時

18、，也可能使前級的IGBT的集電極電流增大，導(dǎo)致IGBT損壞。由負載處（或IGBT的后一級電路）檢測到異常后，控制執(zhí)行機構(gòu)切斷IGBT的輸入，達到保護的目的。24 過熱保護一般情況下流過IGBT的電流較大，開關(guān)頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax，則IGBT可能損壞。IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動態(tài)動耗，其動態(tài)功耗又包括開通功耗和關(guān)斷功耗。在進行熱設(shè)計時，不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱，而且還要保證其在發(fā)生短時過載時，IGBT的結(jié)溫也不超過Tjmax。當(dāng)然，受設(shè)備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮，散熱系統(tǒng)也不可能無限制地擴大?？稍诳拷麵GBT處加裝一溫度繼電器等，檢測IGBT的工作溫度。控制執(zhí)行機構(gòu)在發(fā)生異常時切斷IGBT的輸入，保護其安全。    除此之外，將IGBT往散熱器上安裝固定時應(yīng)注意以下事項：由于熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同，因此，若在散熱器上僅安裝一個IGBT時，應(yīng)將其安