IGBT特性研究及驅動、緩沖電路設計

1、本科生畢本科生畢業(yè)設計業(yè)設計( (論文論文) )任務書任務書 學生姓名學生姓名 專業(yè)班級專業(yè)班級 自動化 0601 班 指導教師指導教師 工作單位工作單位 自動化學院 設計設計( (論文論文) )題目題目: : IGBT 特性研究及驅動、緩沖電路設計 設計（論文）主要內容：設計（論文）主要內容： 了解和熟悉目前國內外 IGBT 產品現狀和技術現狀，分析 IGBT 結構、工作原理以及 工作特性。研究和設計多種 IGBT 驅動電路、保護電路，并對比分析。針對具體一款 IGBT FF600R06ME3 設計其驅動電路及緩沖電路。 要求完成的主要任務要求完成的主要任務: : 1了解研究 IGBT 的目

2、的以及意義，產品和技術的發(fā)展現狀； 2IGBT 驅動電路的設計； 3IGBT 保護、緩沖電路的設計； 4. 針對 FF600R06ME3 IGBT 設計其驅動電路，要求正向開通電壓 15V，反向截止電壓 -15V，工作頻率20K，可驅動 IGBT 承受導通電流 600A，耐壓 600V。 5撰寫畢業(yè)設計論文，字數不低于 15000 左右； 6完成外文文獻翻譯 2 萬字符（其中漢字 5000 字） 。 必讀參考資料：必讀參考資料： 1 王兆安.電力電子技術m.北京:機械工業(yè)出版社,2008. 2 周志敏.IGBT 和 IPM 及其應用電路m.北京:人民郵電出版社,2006. 3 王飛軍.IGBT

3、 關斷特性分析及設計優(yōu)化問題D.浙江大學微電子與半導體系, 1990. 4 陳去非.絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的研究靜態(tài)、動態(tài)和終端模型及優(yōu)化設計 D.浙江大學:電力電子技術,1993. 5 李岳生.IGBT 開關磁阻電動機調速系統(tǒng)研究D.上海工業(yè)大學:工業(yè)自動化,1994. 指導教師簽名：指導教師簽名： 系主任簽名：系主任簽名： 院長簽名院長簽名(章章)： 武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告 1、目的及意義（含國內外的研究現狀分析） 國內外的研究現狀分析 IGBT 廣泛應用于小體積、高效率的變頻電源、電機調速、UPS 及逆變焊 機當中。而

4、IGBT 的驅動和保護是其應用中的關鍵技術。IGBT 在諸如變頻器、 大功率開關電源等電力電子技術的能量變換與管理應用中，越來越成為各種主 回路的首選功率開關器件，因此如何安全可靠地驅動 IGBT 工作，也成為越來 越多的設計工程師面臨需要解決的課題。在使用 IGBT 構成的各種主回路之中， 大功率 IGBT 驅動保護電路起到弱電控制強電的終端界面(接口)作用。為可靠 驅動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當驅動信號與功率器件不需要隔離 時，驅動電路的設計是比較簡單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅動集成電路，如 IR2110。當需要驅動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，一般有兩種途徑：采用 光電耦合器，

5、或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。 光電耦合器的優(yōu)點是體積小巧,缺點是：A.反應較慢，因而具有較大的延 遲時間(高速型光耦一般也大于 500ns)；B.光電耦合器的輸出級需要隔離的輔 助電源供電。 用脈沖變壓器隔離驅動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電 源驅動。 無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅動絕緣柵器件，這種方法很簡單， 也不需要單獨的驅動電源，但由于絕緣柵功率器件的柵源電容 Cgs 一般較大， 因而柵源間的波形 Vgs 將有明顯變形，除非將初級的輸入信號改為具有一定功 率的大信號，相應脈沖變壓器也應取較大體積。 有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅

6、動 絕緣柵功率器件，當然驅動波形好，但是需要另外提供隔離的輔助電源供給放 大器。而輔助電源如果處理不當，可能會引進寄生的干擾。 自給電源方法的已有技術是對 PWM 驅動信號進行高頻(1MHz 以上)調制， 該信號加在隔離脈沖變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原 PWM 調制信號則需經過解調取得，顯然，這種方法并不簡單, 價格當然也較高。 調制的優(yōu)點是可以傳遞的占空比不受限制。 電力電子器件的緩沖電路又稱吸收電路，它是電力電子器件的一種重要 的保護電路，不僅用于半控型器件的保護，而且在全控型器件（如 GTR、GTO、功率 MOSFET 和 IGBT 等）的應用技術中起著重要的作用。

7、 晶閘管開通時，為了防止過大的電流上升率而燒壞器件，往往在主電路中 串入一個扼流電感，以限制過大的 di/dt，串聯電感及其配件組成了開通緩沖 電路，或稱串聯緩沖電路。晶閘管關斷時，電源電壓突加在管子上，為了抑制 瞬時過電壓和過大的電壓上升率，以防止晶閘管內部流過過大的結電容電流而 誤觸發(fā)，需要在晶閘管的兩端并聯一個 RC 網絡，構成關斷緩沖電路，或稱并 聯緩沖電路。 本文研究的目的及意義 電力電子技術在當今急需節(jié)能降耗的工業(yè)領域里起到了不可替代的作用； 而 IGBT 在諸如變頻器、大功率開關電源等電力電子技術的能量變換與管理應 用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關器件，因此如何安全可靠地

8、驅動 IGBT 工作，也成為越來越多的設計工程師面臨需要解決的課題。 在使用 IGBT 構成的各種主回路之中，大功率 IGBT 驅動保護電路起到弱 電控制強電的終端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以將該電路看成是一 個相對獨立的“子系統(tǒng)”來研究、開發(fā)及設計。 大功率 IGBT 驅動保護電路一直伴隨 IGBT 技術的發(fā)展而發(fā)展，現在市場 上流行著很多種類非常成熟的大功率 IGBT 驅動保護電路專用產品，成為大多 數設計工程師的首選；也有許多的工程師根據其電路的特殊要求，自行研制出 各種專用的大功率 IGBT。驅動保護電路而 IGBT 行業(yè)中的高端技術重點在于 怎樣驅動以及保護 IGBT 正常

9、工作。 本文從了解 IGBT 結構、工作原理、工作特性著手，研究了 IGBT 驅動和保 護電路的設計和要求，解決了 IGBT 驅動和保護電路的選擇及設計問題。 2、基本內容和技術方案 基本內容： 查閱文獻資料，在了解和熟悉目前國內外 IGBT 產品現狀和技術現狀的基 礎上，完成畢業(yè)設計相關的外文翻譯 2 萬字符（其中漢字 5000 字）。然后從 了解 IGBT 結構、工作原理，以及 IGBT 的工作特性，包括靜態(tài)特性和動態(tài)特 性，以及研究 IGBT 的意義著手，研究了驅動電路和保護電路的了解及設計， 包括驅動電路的選擇、要求、分類，保護電路的分類及作用以及幾種典型的驅 動電路、常用的保護電路的

10、介紹。針對 FF600R06ME3 這款 IGBT 設計其驅動 電路。在此基礎上完成字數不少于 1.5 萬字的畢業(yè)設計論文。 技術方案：一、了解 IGBT，以及研究 IGBT 的意義，產品發(fā)展現狀，技 術現狀，分析出 IGBT 的技術走向。二、了解 IGBT 的結構、工作原理以及工 作特性。了解 IGBT 的工作特性才能更好的設計驅動、保護電路。三、驅動電 路、保護電路的了解及設計，典型的驅動、保護電路介紹。四、針對 FF600R06ME3 這款 IGBT 設計驅動電路，所設計的電路滿足驅動這款 IGBT 的要求。 3、進度安排 第 12 周： 畢業(yè)實習，撰寫畢業(yè)實習報告； 第 34 周： 翻

11、譯外文資料，初步確定方案，完成開題報告； 第 5 周： 確定最終方案，并進行可行性分析； 第 68 周： 硬件電路設計及仿真； 第 9 周： 中期檢查； 第 1011 周： 綜合調試，根據結果完善系統(tǒng)； 第 1214 周： 完成論文撰寫； 第 15 周： 論文答辯； 第 16 周： 論文裝訂。 4、指導教師意見 盛浩同學調研比較充分，研究內容充實，技術方案明確可行，現已經具備 開始畢業(yè)設計的條件。該生按計劃能達到預期的目標，同意進入設計階段。 指導教師簽名： 年 月 日 目錄 摘要.1 Abstract.2 1 緒論.1 1.1 引言.1 1.2 課題研究意義.2 1.3 研究現狀.3 1.3

12、.1 產品現狀.3 1.3.2 技術現狀.4 1.4 主要研究內容.5 2 IGBT 工作原理及特性研究.6 2.1 IGBT 的定義 .6 2.2 IGBT 的結構和工作原理 .7 2.2.1 IGBT 的結構.7 2.2.2 IGBT 的工作原理.7 2.3 IGBT 工作特性 .9 2.3.1 靜態(tài)特性.9 2.3.2 動態(tài)特性.9 2.3.3 IGBT 的開通與關斷.10 3 IGBT 驅動及緩沖.12 3.1 IGBT 驅動電路的選擇 .12 3.2 門極驅動的要求及電路設計.14 3.2.1 柵極驅動電壓.14 3.2.2 對電源的要求.14 3.2.3 對驅動波形的要求.14 3

13、.2.4 對驅動功率的要求.15 3.2.5 柵極電阻.15 3.2.6 柵極布線要求.15 3.2.7 隔離問題.15 3.3 典型的門極驅動電路介紹.16 3.3.1 脈沖變壓器驅動電路.16 3.3.2 光耦隔離驅動電路.17 3.3.3 驅動模塊構成的驅動電路.17 3.4 大功率 IGBT 驅動保護電路的分類 .18 3.4.1 單一功能型.18 3.4.2 多功能型.19 3.4.3 全功能型.21 3.5 大功率 IGBT 驅動保護電路的功能 .22 3.5.1 隔離功能.22 3.5.2 死區(qū)隔離功能.23 3.5.3 驅動功率的緩沖功能.23 3.6 針對 FF600R06M

14、E3 這款 IGBT 設計的驅動電路.24 4 IGBT 保護電路的設計.26 4.1 IGBT 柵極的保護 .26 4.2 集電極與發(fā)射極間的過壓保護.26 4.2.1 直流過電壓.26 4.2.2 浪涌電壓的保護.27 4.3 集電極電流過流保護.28 4.4 過熱保護.29 全文總結及展望.30 致謝.31 參考文獻.32 摘要 全文首先對 IGBT 的產生和發(fā)展過程做了一個大致的介紹，重點突出了 IGBT 發(fā)展的 路線，智能化、模塊化成為 IGBT 發(fā)展熱點。然后介紹了 IGBT 的結構、工作原理以及工 作特性。只有充分了解了 IGBT 的工作特性，才能更好的設計驅動電路和緩沖電路。在

15、文 章的第三章介紹了 IGBT 的驅動電路的選擇、門極驅動的要求，并且列舉目前比較典型的 集中 IGBT 驅動電路進行對比分析。本論文第四章對保護電路的著手點、常用的保護電路 種類、電路的設計以及性能對比。全文的重點在于 IGBT 的驅動問題，因為在現今這個社 會，能很好的驅動一款 IGBT 有著重要的意義，能達到節(jié)能的目的，適應社會的主題。 本論文在研究了 IGBT 的驅動之后，主要針對 FF600R06ME3 這款 IGBT 設計了它的 驅動電路。更加具體的研究了怎樣選擇一款 IGBT 的驅動器。 關鍵字：IGBT；驅動；保護 Abstract Full of IGBT first and

16、 the development process of a general introduction, focus on the development of intelligent route, IGBT module, IGBT development becomes hot. Then this paper introduces the structure, working principle of IGBT and work. Only a thorough understanding of the working characteristics of IGBT driving cir

17、cuit can better design and buffer circuit. In the third chapter of IGBT driving circuit of choice, the drivers request, and lists the relatively typical concentration IGBT drive circuit are compared and analyzed. This dissertation chapter to protect circuit of the common points、the protection circui

18、t design and type、circuit performance. The key lies in the text, because the driver IGBT in todays society, can be a very good driver a IGBT has the important meaning, can achieve the purpose of energy-saving, adapt societys theme. This paper studies the IGBT drive in after FF600R06ME3, mainly for t

19、he design of IGBT driving circuit .This paper the more specific research how to choose one IGBT driver. Key words: IGBT；drive；protection 1 緒論 1.1 引言 近年來，隨著我國經濟的持續(xù)快速發(fā)展，能源消耗日趨緊張，節(jié)約能源是我國的基 本國策。據報道，全球的電能消耗 50%來自電動機。當前，在電動機驅動系統(tǒng)中，已經 從強電控制進入弱電控制的節(jié)能時代。它是機械自動化、控制智能化的關鍵部件，是節(jié) 約電能的新型半導體器件。因此，大力發(fā)展新型電力電子器件的設計制造以及

20、模塊的開 發(fā)和應用是節(jié)約能源的重要措施。IGBT（Insulate Gate Bipolar Transistor）絕緣柵雙極晶 體管作為新型電力電子器件的代表，是整機系統(tǒng)提高性能指標和節(jié)能指標的首選產品。 它集高頻率、高電壓、大電流等優(yōu)點于一身，是國際上公認的電力電子技術第三次革命 的最具代表性的產品。 IGBT 主要用于逆變器、低噪音電源、UPS 不間斷電源以及電動機變頻調速等領域。 IGBT 的用途非常廣泛，小到變頻空調、靜音冰箱、洗衣機、電磁爐、微波爐等家用電器， 大到電力機車牽引系統(tǒng)都離不開它。IGBT 在軍事機載、艦載、雷達等隨機系統(tǒng)中也有廣 泛的用途。與國外相比，IGBT 的制造

21、工藝技術至少落后十年，IGBT 的國產化形勢相當 緊迫。因此，開展 IGBT 的研發(fā)工作對我國國民經濟和國防工業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意 義。 1979 年，MOS 柵功率開關器件作為 IGBT 概念的先驅即已被介紹到世間。這種器件 表現為一個類晶閘管的結構（P-N-P-N 四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成 了 V 形槽柵。 80 年代初期，用于功率 MOSFET 制造技術的 DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半 導體）工藝被采用到 IGBT 中來。在那個時候，硅芯片的結構是一種較厚的 NPT（非穿通） 型設計。后來，通過采用 PT（穿通）型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著

22、改 進，這是隨著硅片上外延的技術進步，以及采用對應給定阻斷電壓所設計的緩沖層而 n 進展的。幾年當中，這種在采用 PT 設計的外延片上制備的 DMOS 平面柵結構，其設計 規(guī)則從 5 微米先進到 3 微米。 90 年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的 IGBT，它是采用從大規(guī)模集成 （LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結 構。在這種溝槽結構中，實現了在通態(tài)電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。 硅芯片的重直結構也得到了急劇的轉變，先是采用非穿通（NPT）結構，繼而變化 成弱穿通（LPT）結構，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到改善。 這次從穿通（PT

23、）型技術先進到非穿通（NPT）型技術，是最基本的，也是很重大 的概念變化。穿通（PT）技術會有比較高的載流子注入系數，而由于它要求對少數載流 子壽命進行控制，從而致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術則是不對少 子壽命進行殺傷的同時有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數卻比較低。進而言之， 非穿通（NPT）技術又被軟穿通（LPT）技術所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通” （SPT）或“電場截止”（FS）型技術，這使得成本和性能的綜合效果得到進一步改善。 1996 年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第 5 代 IGBT 模塊得以實現， 它采用了弱穿通（LPT）芯片結構

24、，又采用了更先進的寬元胞間距的設計。目前，包括一 種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向導通型”（逆導型）功能的 IGBT 器件的 新概念正在進行研究，以求得進一步優(yōu)化1。 IGBT 功率模塊采用 IC 驅動，各種驅動保護電路，高性能 IGBT 芯片，新型封裝技 術，從復合功率模塊 PIM 發(fā)展到智能功率模塊 IPM、電力電子積木 PEBB、電力模塊 IPEM。PIM 向高壓大電流發(fā)展，其產品水平為 1200A/1800V 到 1800A/3300V，IPM 除用 于變頻調速外，600A/2000V 的 IPM 已用于電力機車 VVVF 逆變器。平面低電感封裝技術 是大電流 IGBT 模塊

25、為有源器件的 PEBB，用于艦艇上的導彈發(fā)射裝置。IPEM 采用共燒 瓷片多芯片模塊技術組裝 PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現已開發(fā)成功 第二代 IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為 IGBT 發(fā)展熱點。 現在，大電流高電壓的 IGBT 已模塊化，它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構 成之外，現在已制造出集成化的 IGBT 專用驅動電路。其性能更好，整機的可靠性更高及 體積更小。 1.2 課題研究意義 電力電子技術在當今急需節(jié)能降耗的工業(yè)領域里起到了不可替代的作用；而 IGBT 在諸如變頻器、大功率開關電源等電力電子技術的能量變換與管理應用中，

26、越來越成為 各種主回路的首選功率開關器件，因此如何安全可靠地驅動 IGBT 工作，也成為越來越多 的設計工程師面臨需要解決的課題。 在使用 IGBT 構成的各種主回路之中，大功率 IGBT 驅動保護電路起到弱電控制強電 的終端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以將該電路看成是一個相對獨立的“子系統(tǒng)” 來研究、開發(fā)及設計。 大功率 IGBT 驅動保護電路一直伴隨 IGBT 技術的發(fā)展而發(fā)展，現在市場上流行著很 多種類非常成熟的大功率 IGBT 驅動保護電路專用產品，成為大多數設計工程師的首選； 也有許多的工程師根據其電路的特殊要求，自行研制出各種專用的大功率 IGBT。驅動保 護電路而 IGB

27、T 行業(yè)中的高端技術重點在于怎樣驅動以及保護 IGBT 正常工作。本文正是 針對 FF600R06ME3 這款 IGBT 的驅動電路的設計來了解 IGBT 的特性以及 IGBT 的選擇， 驅動和保護的問題。 1.3 研究現狀 1.3.1 產品現狀 當前市場上的成品驅動器,按驅動信號與被驅動的絕緣柵器件的電氣關系來分，可分 為直接驅動和隔離驅動兩種，其中隔離驅動的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器兩種。 1）不隔離的直接驅動器 在 Boost、全波、正激或反激等電路中，功率開關管的源極位于輸入電源的下軌， PWM IC 輸出的驅動信號一般不必與開關管隔離，可以直接驅動。如果需要較大的驅動能 力，可

28、以加接一級放大器或是串上一個成品驅動器。直接驅動的成品驅動器一般都采用 薄膜工藝制成 IC 電路，調節(jié)電阻和較大的電容由外引腳接入。 目前的成品驅動器種類不少，如 TI 公司的 UCC37XXX 系列，TOSIBA 公司的 TPS28XX 系列，0nsemi 公司的 MC3315X 系列，SHARP 公司的 PC9XX 系列，IR 公司的 IR21XX 系列，等等，種類繁多。 2)光電耦合器的隔離驅動器 隔離驅動產品絕大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵 器件，采用厚膜工藝制成 HIC 電路，部分阻容元件也由引腳接入。 目前市售的光電耦合型驅動器產品，主要有 FUJI 公

29、司的 EXB8XX 系列、 MITSUBISHI 公司的 M579XX 系列、英達公司的 HR065 和西安愛帕克電力電子有限公司 的 HL402B 等，以及北京落木源電子技術有限公司的 TX-KA 系列。TX-KA 系列驅動器保 護功能完善、工作頻率高、價格便宜，并能與多種其它類型的驅動器兼容。 此類產品，由于光電耦合器的速度限制，一般工作頻率都在 50KHz 以下(TX-KA101 可達 80K)。它們的優(yōu)點是大部分具有過流保護功能，其過電流信號是從 IGBT 的管壓降 中取得的；共同的缺點是需要一個或兩個獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。 由于成本問題，該類產品價格稍高，因此只適用于在大

30、功率電源中驅動 IGBT 模塊， 在中小功率領域難以推廣使用。 3）變壓器隔離、一路電源輸入，自帶 DC/DC 輔助電源的驅動器 目前有 CONCEPT 公司的 2SD315A 和 SEMIKRON 公司的 SKHI22 等，使用兩個脈 沖變壓器傳遞半橋驅動信號，需要一路電源輸入，自帶一個 DC/DC 電源提供驅動所需的 兩個輔助電源。輸出的驅動信號質量不錯，驅動能力也很強，但由于結構復雜，因而體 積較大，價格不菲，只適用于特大功率電源中。上述兩種驅動板的信號傳遞采用的是調 制技術。 北京落木源公司也開發(fā)了一款變壓器隔離的驅動器，型號為 KB101，可以工作在較 高的頻率上，但是需要用戶提供輔

31、助電源。 4)變壓器隔離、調制式自給電源驅動器 調制式自給電源驅動器，采用變壓器進行電氣隔離，通過載頻傳遞驅動所需要的能 量，通過調制信號傳遞 PWM 信息，因此可以通過 0100占空比的 PWM 信號。目前 的許多驅動板產品都采用這種技術，如西門康的 SKHI27 等。 單片式的調制驅動器，目前國外還未見有產品出售。但有一種 2 片組合式的，如 UNITRODE 公司的 UC3724/25 集成電路對，其中 3724 與驅動源相連，3725 與被驅動的 絕緣柵器件相連，3724 與 3725 之間由用戶接入一個脈沖變壓器，在 UC3724 中將 PWM 信號調制到約MHz 的載波上，送到隔離

32、脈沖變壓器的初級，次級輸出信號在 UC3725 中通過直接整流得到自給電源，通過解調取得原 PWM 信號。 國內的單片式調制驅動器，有北京落木源的 TX-KE 系列驅動器。調制驅動器，除無 需用戶提供輔助電源外，還具有隔離電壓高的特點，但是價格較高。 5）變壓器隔離、分時式自給電源驅動器 分時式自給電源驅動器產品的優(yōu)點是：價格便宜，大中小功率的電源都可應用；驅 動器自身不需要單獨的供電電源，簡化了電路；輸出驅動脈沖的延遲很少，上升和下降 沿也相當陡峭；工作頻率較高，并且可在占空比 5-95%的范圍內工作。 分時式自給電源驅動器的缺點是當工作頻率較低時變壓器的體積較大，厚膜化困難， 由于自給電源

33、提供的能量有限、難以驅動 300A/1200V 以上的 IGBT2。 1.3.2 技術現狀 開關電源中大功率器件驅動電路的設計一向是電源領域的關鍵技術之一。普通大功 率三極管和絕緣柵功率器件(包括 VMOS 場效應管和 IGBT 絕緣柵雙極性大功率管等)，由 于器件結構的不同，具體的驅動要求和技術也大不相同。前者屬于電流控制器件，要求 合適的電流波形來驅動；后者屬于電場控制器件，要求一定的電壓來驅動。本文只介紹 后者的情況。 VMOS 場效應管(以及 IGBT 絕緣柵雙極性大功率管等器件)的源極和柵極之間是絕緣 的二氧化硅結構，直流電不能通過，因而低頻的靜態(tài)驅動功率接近于零。但是柵極和源 極之

34、間構成了一個柵極電容，因而在高頻率的交替開通和關斷時需要一定的動態(tài)驅動 gs C 功率。小功率 VMOS 管的一般在 10-100pF 之內，對于大功率的絕緣柵功率器件，由 gs C 于柵極電容較大，在 1-100nF，甚至更大，因而需要較大的動態(tài)驅動功率。更由于漏 gs C 極到柵極的密勒電容，柵極驅動功率是不可忽視的。 dg C 為可靠驅動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當驅動信號與功率器件不需要隔 離時，驅動電路的設計是比較簡單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅動集成電路，如 IR2110。當需要驅動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，一般有兩種途徑：采用光電耦合 器，或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔

35、離。 光電耦合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是：A、反應較慢，因而具有較大的延遲時間 (高速型光耦一般也大于 500ns)；B、光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。 用脈沖變壓器隔離驅動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅動。 無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅動絕緣柵器件，這種方法很簡單，也不需 要單獨的驅動電源，但由于絕緣柵功率器件的柵源電容一般較大，因而柵源間的波形 gs C 將有明顯變形，除非將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應脈沖變壓器 gs V 也應取較大體積。 有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅動絕緣柵功 率器件，當然驅動波形好

36、，但是需要另外提供隔離的輔助電源供給放大器。而輔助電源 如果處理不當，可能會引進寄生的干擾。 自給電源方法的已有技術是對 PWM 驅動信號進行高頻(1MHz 以上)調制，該信號加 在隔離脈沖變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原 PWM 調制信號則需 經過解調取得，顯然，這種方法并不簡單, 價格當然也較高。調制的優(yōu)點是可以傳遞的占 空比不受限制。 分時式自給電源是北京落木源公司的創(chuàng)新技術，其特點是變壓器在輸入 PWM 信號 的上升和下降沿只傳遞 PWM 信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅動所需要的能量，因而 波形失真很小。這種技術的缺點是占空比一般只能達到 595。 1.4 主要研究

37、內容 本文旨在研究 IGBT 工作特性，以及驅動和緩沖電路的設計，并針對 FF600R06ME3 這款 IGBT 設計一種驅動電路以及緩沖電路。本文研究內容如下： （1）了解 IGBT，以及研究 IGBT 的意義，產品發(fā)展現狀，技術現狀。在這個節(jié)能 時代，IGBT 的節(jié)能優(yōu)點越來越被人重視。通過 IGBT 的發(fā)展過程，我們能知道 IGBT 未 來的技術走向，以及目前能做出的最高端的產品的參數，以尋求突破。 （2）了解 IGBT 的結構、工作原理以及工作特性。P-N-P-N 四層結構使得 IGBT 的 導通能力得到增強。從 IGBT 的靜態(tài)特性到動態(tài)特性，能方便我們更好的設計驅動和緩沖 電路。

38、（3）驅動電路、保護電路的了解及設計。包括驅動電路的選擇、要求，保護電路的 著手點和常用的保護電路。能很好的驅動一款 IGBT 的驅動器技能達到驅動的作用，又能 起到緩沖的作用。并對 FF600R06ME3 這款 IGBT 設計其驅動電路。 2 IGBT 工作原理及特性研究 2.1 IGBT 的定義 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT(雙極型三極 管)和 MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR 飽和壓降低，載流

39、密度 大，但驅動電流較大;MOSFET 驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓 為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。 圖 2-1 所示為一個 N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構，區(qū)稱為源區(qū)，附于其上 N 的電極稱為源極。區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝 N 道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的 P 型區(qū)（包括和 P 區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成） P ，稱為亞溝道區(qū)（Sub channel region）。而在漏區(qū)另一側的區(qū)稱為

40、漏注入區(qū)（Drain P injector），它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起 發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入 區(qū)上的電極稱為漏極。 IGBT 的開關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 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使 IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極溝道 MOSFET，所以具有高輸入 N 阻抗特性。當 MOSFET 的溝道形成后，從基極注入到層的空穴（少子），對 P N 層進行電導調制，減小

41、層的電阻，使 IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。 N N 圖 2-1 N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構 2.2 IGBT 的結構和工作原理 2.2.1 IGBT 的結構 圖 2-2 IGBT 的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a）內部結構端面示意圖 b）簡化等效電路 c）電氣圖形符號 就 IGBT 的結構而言，是在 N 溝道 MOSFET 的漏極 N 層上又附加上一層 P 層的 P- N-P-N 的四層結構。圖 2-2（a）為 N 溝道 VDMOSFET 與 GTR 組合 N 溝道 IGBT（N- IGBT）,IGBT 比 VDMOSFET 多一層注入區(qū)，形成了一個大面積的N 結使

42、 IGBT P P 1 J 導通時由注入區(qū)向 N 基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調制，使得 IGBT 具有 P 很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT 是 GTR 與 MOSFET 組成的達林頓結構，一 個由 MOSFET 驅動的厚基區(qū) PNP 晶體管,為晶體管基區(qū)內的調制電阻3。 N R 2.2.2 IGBT 的工作原理 N 溝型的 IGBT 工作是通過柵極發(fā)射極間加閥值電壓以上的（正）電壓，在 TH V 柵極電極正下方的層上形成反型層（溝道），開始從發(fā)射極電極下的層注入電子。p n 該電子為-晶體管的少數載流子，從集電極襯底層開始流入空穴，進行電導率調pnp p 制（雙極工作），

43、所以可以降低集電極發(fā)射極間飽和電壓。工作時的等效電路如圖 2- 2（b）所示，IGBT 的符號如圖 2-2（c）所示。在發(fā)射極電極側形成-寄生晶體管。 np n 若-寄生晶體管工作，又變成-晶閘管。電流繼續(xù)流動，直到輸出側 np n p np n 停止供給電流。通過輸出信號已不能進行控制。一般將這種狀態(tài)稱為閉鎖狀態(tài)。 為了抑制-寄生晶體管的工作 IGBT 采用盡量縮小-晶體管的電流放 np n p np 大系數 作為解決閉鎖的措施。具體地來說，-的電流放大系數 設計為 0.5 以 p np 下。IGBT 的閉鎖電流為額定電流（直流）的 3 倍以上。IGBT 的驅動原理與電力 L I MOSFE

44、T 基本相同，通斷由柵射極電壓決定。 GE u IGBT 硅片的結構與功率 MOSFET 的結構十分相似，主要差異是 IGBT 增加了基 P 片和一個緩沖層（NPT-非穿通-IGBT 技術沒有增加這個部分），其中一個 MOSFET N 驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的和區(qū)之間創(chuàng)建了一個結。當正柵偏壓 P N 1 J 使柵極下面反演 P 基區(qū)時，一個 N 溝道形成，同時出現一個電子流，并完全按照功率 MOSFET 的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在 0.7V 范圍內，那么，將 1 J 處于正向偏壓，一些空穴注入區(qū)內，并調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功 N 率導通的總損耗，

45、并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時出現兩 種不同的電流拓撲，一個電子流(MOSFET 電流)和 另一個空穴電流（雙極）。大于 GE u 開啟電壓時，MOSFET 內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT 導通。而所 thUGE 謂的導通壓降就是電導調制效應使電阻減小，使通態(tài)壓降小。 N R 當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入區(qū)內。 N 在任何情況下，如果 MOSFET 電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是 因為換向開始后，在 N 層內還存在少數的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的 降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度

46、又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓 撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以 下問題：功耗升高和交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設備上，問題更加明顯。 鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、和密切相關的空 C I CE V 穴移動性有密切的關系。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的 電流的不理想效應是可行的，尾流特性與、和有關。 CE V C I C T 柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET 內的溝道消失，晶體管的基極電流被切 斷，IGBT 關斷。 當集電極被施加一個反向電壓時，就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會

47、向區(qū)擴 1 J N 展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制 十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降；當柵極和 發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N結受反向電壓控制。此時，仍然是 3 J 由 N 漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。 IGBT 在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生 PNPN 晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器 件會導通。這種現象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效 MOSFET 的控制能 力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為 IGBT 閂鎖，具體地說，這 種缺陷的原因互不相同，與器件的狀

48、態(tài)有密切關系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如 下主要區(qū)別：第一，當晶閘管全部導通時，靜態(tài)閂鎖出現；第二，只在關斷時才會出現 動態(tài)閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區(qū)。 為防止寄生 NPN 和 PNP 晶體管的有害現象，有必要采取以下措施：一是防止 NPN 部分接通，分別改變布局和摻雜級別；二是降低 NPN 和 PNP 晶體管的總電流增益；此外， 閂鎖電流對 PNP 和 NPN 器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結溫的關系也非常密 切；在結溫和增益提高的情況下，P 基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件 制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為 1

49、:5。 2.3 IGBT 工作特性 2.3.1 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性3。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系 gs U 曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓的控制，越高，越大。它與 GTR 的輸出特 gs U gs U d I 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。在截止狀態(tài)下的 IGBT，正向 電壓由結承擔，反向電壓由結承擔。如果無緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到 2 J 1 J N 同樣水平，加入緩沖區(qū)后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了 IGBT 的 N 某些應用范圍。 IGB

50、T 的轉移特性是指輸出漏極電流與柵源電壓之間的關系曲線。它與 d I gs U MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓時，IGBT 處于關斷狀態(tài)。在 thUgs IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內，與呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極 d I gs U 電流限制，其最佳值一般取為 15V 左右。 IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT 處于導通態(tài)時，由于 它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流 過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓可用下式表示： onUds （2-1）

51、ohddrjds RIUUonU 1 式中，為結的正向電壓，其值為 0.71V ；為擴展電阻上的壓降； 1 j U 1 J dr U dr R 為溝道電阻。 oh R 通態(tài)電流可用下式表示： ds I （2-2） mospnpds IBI 1 式中，為流過 MOSFET 的電流。 mos I 由于區(qū)存在電導調制效應，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V 的 IGBT 通態(tài) N 壓降為 23V 。IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在5。 2.3.2 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，只是在漏源電壓下 ds U 降過程后期，PNP 晶體管

52、由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。為開通延遲時 ontd 間，為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間即為之和。漏 ri t on t ri d tont 源電壓的下降時間由和組成。 1fe t 2fe t IGBT 的觸發(fā)和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可 由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關 斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為 IGBT 柵極-發(fā)射極阻 抗大，故可使用 MOSFET 驅動技術進行觸發(fā)，不過由于 IGBT 的輸入電容較 MOSFET 為 大，故 IGBT 的關斷偏壓應該比

53、許多 MOSFET 驅動電路提供的偏壓更高。 IGBT 在關斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?MOSFET 關斷后，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，為關斷延遲時間，offtd 為電壓的上升時間6。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間由圖中的 rv t fUds f T 和兩段組成，而漏極電流的關斷時間： 1ft2ft (2-3) fttofftofft rvd 式中，與之和又稱為存儲時間。 offtd rv t IGBT 的開關速度低于 MOSFET，但明顯高于 GTR。IGBT 在關斷時不需要負柵壓來 減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯電阻

54、的增加而增加。IGBT 的開啟電壓約 34V，和 MOSFET 相當。IGBT 導通時的飽和壓降比 MOSFET 低而和 GTR 接近，飽和 壓降隨柵極電壓的增加而降低7。 正式商用的 IGBT 器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技 術發(fā)展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到 10KV 以上，目前只能 通過 IGBT 高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士 ABB 公司采用軟穿 通原則研制出了 8KV 的 IGBT 器件，德國的 EUPEC 生產的 6500V/600A 高壓大功率 IGBT 器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時

55、，各大半導體生產廠 商不斷開發(fā) IGBT 的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要 采用以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進展。um1 2.3.3 IGBT 的開通與關斷 IGBT 的開通過程與 MOSFET 的相似，因為開通過程中 IGBT 在大部分時間作為 MOSFET 運行，如圖 2-3。 圖 2-3 IGBT 的開關過程 IGBT 的開通過程： 圖中，開通延遲時間是指從上升至其幅值 10%的時刻，到上升至 10% ontd GE u C i 的時間；電流上升時間為從 10%上升至 90%所需時間；開通時間為開 CM I r t C i CM I CM I on t

56、通延遲時間與電流上升時間之和。的下降過程分為和兩段：其中為 IGBT CE u 1fv t 2fv t 1fv t 中 MOSFET 單獨工作的電壓下降過程；為 MOSFET 和 PNP 晶體管同時工作的電壓下 2fv t 降過程。 IGBT 的關斷過程： 圖中，關斷延遲時間是指從后沿下降到其幅值 90%的時刻起，到下降至offtd GE u C i 90%；電流下降時間為從 90%下降至 10%；關斷時間為關斷延遲時間與 CM I C i CM I CM I off t 電流下降時間之和。電流下降時間又可分為和兩段：其中為 IGBT 內部的 1fi t 2fi t 1fi t MOSFET

57、的關斷過程，下降較快；為 IGBT 內部的 PNP 晶體管的關斷過程，下降 C i 2fi t C i 較慢8。 IGBT 中雙極型 PNP 晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少 子儲存現象，因而 IGBT 的開關速度低于電力 MOSFET。IGBT 的擊穿電壓、通態(tài)壓降和 關斷時間也是需要折衷的參數。 3 IGBT 驅動及緩沖 基于模塊化設計思想，本文總體電路分為幾個模塊進行：驅動電路、緩沖電路，主 體電路，其中驅動電路是本文重點，它包括門極電荷的計算，柵極電阻的計算，柵極電 阻功率的計算。下面對各功能模塊進行設計。 3.1 IGBT 驅動電路的選擇 絕緣柵雙極型晶體管(

58、IGBT)在今天的電力電子領域中已經得到廣泛的應用，在實際 使用中除 IGBT 自身外，IGBT 驅動器的作用對整個換流系統(tǒng)來說同樣至關重要。驅動器 的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅動器功率不足或選擇錯誤可能會 直接導致 IGBT 和驅動器損壞。以下總結了一些關于 IGBT 驅動器輸出性能的計算方法以 供選型時參考。 IGBT 的開關特性主要取決于 IGBT 的門極電荷及內部和外部的電阻。圖 3-1 是 IGBT 門極電容分布示意圖，其中是柵極-發(fā)射極電容、是集電極-發(fā)射極電容、 GE C CE C 是柵極-集電極電容或稱米勒電容（Miller Capacitor）。門極輸入電

59、容由和 GC C ies C GE C 來表示，它是計算 IGBT 驅動器電路所需輸出功率的關鍵參數。該電容幾乎不受溫度 GC C 影響，但與 IGBT 集電極-發(fā)射極電壓的電壓有密切聯系。在 IGBT 數據手冊中給出的 CE V 電容的值，在實際電路應用中不是一個特別有用的參數，因為它是通過電橋測得的， ies C 在測量電路中，加在集電極上 C 的電壓一般只有 25V(有些廠家為 10V)，在這種測量條件 下，所測得的結電容要比實際時要大一些。由于門極的測量電壓太低(VVCE600 )而不是門極的門檻電壓，在實際開關中存在的米勒效應（Miller 效應）在測量VVGE0 中也沒有被包括在內

60、，在實際使用中的門極電容值要比 IGBT 數據手冊中給出的電容 in C 值大很多。因此，在 IGBT 數據手冊中給出的電容值在實際應用中僅僅只能作為 ies C ies C 一個參考值使用9。 圖 3-1 IGBT 內部電容分布示意圖 要確定 IGBT 的門極電荷，對于設計一個驅動器來說，最重要的參數是門極電荷 (門極電壓差時的 IGBT 門極總電荷)，如果在 IGBT 數據手冊中能夠找到這個參數， G Q 那么就可以運用公式計算出： 門極驅動能量 （3-1） offVonVQUQE GGGGEG 門極驅動功率 （3-2） SWGGGSWG foffVonVQfEP 驅動器總功率 （驅動器的