電力電子半導(dǎo)體器件IGBTpptPPT課件

1、7.1 7.1 原理與特性原理與特性一、概述 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 近年來出現(xiàn)了許多新型復(fù)合器件，它們將前述單極型和雙極性器件的各自優(yōu)點(diǎn)集于一身，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使其特性更加優(yōu)越，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展很快應(yīng)用很廣，已成為當(dāng)前電力半導(dǎo)體器件發(fā)展的重要方向。 其中尤以絕緣柵雙極晶體管(1GBT)最為突出，在各個(gè)領(lǐng)域中有取代前述全控型器件的趨勢(shì)。 IGBT（IGT），1982年研制，第一代于1985年生產(chǎn)，主要特點(diǎn)是低損耗，導(dǎo)通壓降為3V，下降時(shí)間0.5us，耐壓500600V，電流25A。第

2、1頁/共45頁 第二代于1989年生產(chǎn)，有高速開關(guān)型和低通態(tài)壓降型，容量為400A/5001400V，工作頻率達(dá)20KHZ。目前第三代正在發(fā)展，仍然分為兩個(gè)方向，一是追求損耗更低和速度更高；另一方面是發(fā)展更大容量，采用平板壓接工藝，容量達(dá)1000A，4500V；命名為IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor)二 、工作原理： IGBT是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者結(jié)構(gòu)十分類似，不同之處是IGBT多一個(gè)P+層發(fā)射極，可形成PN結(jié)J1，并由此引出漏極；門極和源極與MOSFET相類似。第2頁/共45頁1分類： 按緩沖區(qū)有無分為：非對(duì)稱型IGBTIG

3、BT：有緩沖區(qū)N N+ +，穿通型IGBTIGBT； 由于N N+ +區(qū)存在，反向阻斷能力弱，但正向壓降低，關(guān)斷時(shí)間短，關(guān)斷時(shí)尾部電流小。對(duì)稱型IGBTIGBT：無緩沖區(qū)N N+ +，非穿通型IGBTIGBT； 具有正、反向阻斷能力，其他特性較非對(duì)稱型IGBTIGBT差。 按溝道類型：N N溝道IGBTIGBTP P溝道IGBTIGBT第3頁/共45頁2開通和關(guān)斷原理： IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制的。門極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。在門極上施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即為關(guān)

4、斷。V VDSDS為負(fù)時(shí)：J3J3結(jié)處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。V VDSDS為正時(shí)：V VG GVVVT T，絕緣門極下形成N N溝道，由于載流子的相互作用， 在N-N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)?。?頁/共45頁關(guān)斷時(shí)拖尾時(shí)間： 在器件導(dǎo)通之后，若將門極電壓突然減至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使漏極電流有所突降，但由于N N- -區(qū)中注入了大量的電子、空穴對(duì)，因而漏極電流不會(huì)馬上為零，而出現(xiàn)一個(gè)拖尾時(shí)間。鎖定現(xiàn)象：由于IGBTIGBT結(jié)構(gòu)中寄生著PNPNPNPN四層結(jié)構(gòu)，存在著由于再生作用而將導(dǎo)通狀態(tài)鎖定起來的可能性，從而導(dǎo)致漏極電流失控，進(jìn)而引起器件產(chǎn)生破壞性失效。

5、出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象的條件就是晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通條件： 1 +2 =1a. 靜態(tài)鎖定： IGBT在穩(wěn)態(tài)電流導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)的鎖定，此時(shí)漏極電壓低，鎖定發(fā)生在穩(wěn)態(tài)電流密度超過某一數(shù)值時(shí)。b. 動(dòng)態(tài)鎖定：動(dòng)態(tài)鎖定發(fā)生在開關(guān)過程中，在大電流、高電壓的情況下、主要是因?yàn)樵陔娏鬏^大時(shí)引起1和2的增加，以及由過大的dv/dt引起的位移電流造成的。c. 柵分布鎖定：是由于絕緣柵的電容效應(yīng)，造成在開關(guān)過程中個(gè)別先開通或后關(guān)斷的IGBT之中的電流密度過大而形成局部鎖定。采取各種工藝措施，可以提高鎖定電流，克服由于鎖定產(chǎn)生的失效。第5頁/共45頁三、基本特性：（一）靜態(tài)特性1伏安特性：幾十伏，無反向阻斷能力飽和區(qū)放大區(qū)擊穿區(qū)第6

6、頁/共45頁2飽和電壓特性： IGBT的電流密度較大，通態(tài)電壓的溫度系數(shù)在小電流范圍內(nèi)為負(fù)。大電流范圍為正，其值大約為1.4倍100。3轉(zhuǎn)移特性： 與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同。當(dāng)門源電壓VGS小于開啟電壓VT時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，加在門源間的最高電壓由流過漏極的最大電流所限定。一般門源電壓最佳值15V。第7頁/共45頁4開關(guān)特性： 與功率MOSFET相比，IGBT通態(tài)壓降要小得多，1000V的IGBT約有25的通態(tài)壓降。這是因?yàn)镮GBT中N漂移區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的緣故。第8頁/共45頁（二）動(dòng)態(tài)特性1開通過程：t d(on)：開通延遲時(shí)間tri ： 電流上升時(shí)間tfv1 ，tfv2

7、：漏源電壓下降時(shí)間tfv1 ：MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的 電壓下降時(shí)間。tfv2 ：MOSFET和PNP管同時(shí)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間。隨漏源電壓下降而延長(zhǎng)；受PNP管飽和過程影響。平臺(tái)：由于門源間流過驅(qū)動(dòng)電流，門源間呈二極管正向特性，VGS維持不變。第9頁/共45頁2關(guān)斷過程：t d(off) ：延遲時(shí)間t rv ：VDS上升時(shí)間t fi2 ：由PNP晶體管中存儲(chǔ)電荷決定，此時(shí)MOSFET已關(guān)斷，IGBT又無反向電壓，體內(nèi)存儲(chǔ)電荷很難迅速消除，因此下降時(shí)間較長(zhǎng)，VDS較大，功耗較大。一般無緩沖區(qū)的，下降時(shí)間短。由MOSFET決定第10頁/共45頁3開關(guān)時(shí)間：用電流的動(dòng)態(tài)波形確定開關(guān)時(shí)間。漏極電流的

8、開通時(shí)間和上升時(shí)間： 開通時(shí)間：t tonon= = t d(on)+ tri 上升時(shí)間： tr = tfv1 + tfv2 漏極電流的關(guān)斷時(shí)間和下降時(shí)間： 關(guān)斷時(shí)間：t toff off = = t d(off) + t rv 下降時(shí)間：t tf f = = t fi1+ t fi2 反向恢復(fù)時(shí)間：t trrrr 第11頁/共45頁4開關(guān)時(shí)間與漏極電流、門極電阻、結(jié)溫等參數(shù)的關(guān)系：第12頁/共45頁5開關(guān)損耗與溫度和漏極電流關(guān)系第13頁/共45頁（三）擎住效應(yīng) IGBT的鎖定現(xiàn)象又稱擎住效應(yīng)。IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管存在，它由PNP利NPN兩個(gè)晶體管組成。在NPN晶體管的基極與發(fā)射

9、極之間并有一個(gè)體區(qū)電阻Rbr，在該電阻上，P型體區(qū)的橫向空穴流會(huì)產(chǎn)生一定壓降。對(duì)J3結(jié)來說相當(dāng)于加一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏壓不大，NPN晶體管不起作用。當(dāng)漏極電流人到定程度時(shí)，這個(gè)正偏量電壓足以使NPN晶體管導(dǎo)通，進(jìn)而使寄生晶閘管開通、門極失去控制作用、這就是所謂的擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后。漏極電流增大造成過高的功耗，最后導(dǎo)致器件損壞。 漏極通態(tài)電流的連續(xù)值超過臨界值IDM時(shí)產(chǎn)生的擎住效應(yīng)稱為靜態(tài)擎住現(xiàn)象。 IGBT在關(guān)斷的過程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的擎住效應(yīng)。動(dòng)態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住時(shí)還要小，因此，制造廠家所規(guī)定的IDM值是按動(dòng)態(tài)擎住所允許的最大漏極電流而確定

10、的。第14頁/共45頁 動(dòng)態(tài)過程中擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由重加dv/dt來決定，此外還受漏極電流IDM以及結(jié)溫Tj等因素的影響。 在使用中為了避免IGBT發(fā)生擎住現(xiàn)象:1設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)保證IGBT中的電流不超過IDM值；2用加大門極電阻RG的辦法延長(zhǎng)IGBT的關(guān)斷時(shí)間，減小重加 dVDS/d t。3器件制造廠家也在IGBT的工藝與結(jié)構(gòu)上想方設(shè)法盡可能提 高IDM值，盡量避免產(chǎn)生擎住效應(yīng)。第15頁/共45頁（四）安全工作區(qū)1FBSOA：IGBT開通時(shí)正向偏置安全工作區(qū)。 隨導(dǎo)通時(shí)間的增加，損耗增大，發(fā)熱嚴(yán)重，安全區(qū)逐步減小。2RBSOA： IGBT關(guān)斷時(shí)反向偏置安全工作區(qū)。 隨IGBT關(guān)斷時(shí)的重加dV

11、DS/dt改變，電壓上升率dVDS/dt越大，安全工作區(qū)越小。通過選擇門極電壓、門極驅(qū)動(dòng)電阻和吸收回路設(shè)計(jì)可控制重加dVDS/dt，擴(kuò)大RBSOA。最大漏極電流最大漏源電壓VDSM第16頁/共45頁（五）具體參數(shù)和特性第17頁/共45頁第18頁/共45頁7.2 7.2 門極驅(qū)動(dòng)門極驅(qū)動(dòng)一、驅(qū)動(dòng)條件： 門極驅(qū)動(dòng)電路的正偏壓VGS，負(fù)偏壓VGS，門極電阻RG的大小，決定IGBT的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，如：通態(tài)電壓、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、短路能力、電流di/dt及dv/dt。第19頁/共45頁1正偏電壓VGS的影響 VGS增加時(shí)，通態(tài)壓降下降，開通時(shí)間縮短，開通損耗減小，但VGS增加到一定程度后，對(duì)IGBT

12、的短路能力及電流di/dt不利，一般VGS不超過15V。（12V15V） 第20頁/共45頁2負(fù)偏壓VGS的影響： 門極負(fù)偏壓可以減小漏極浪涌電流，避免發(fā)生鎖定效應(yīng)，但對(duì)關(guān)斷特性影響不大。如圖：第21頁/共45頁3門極電阻RG的影響： 當(dāng)門極電阻RG增加時(shí)，IGBT的開通與關(guān)斷時(shí)間增加，進(jìn)而使每脈沖的開通能耗和關(guān)斷能損也增加。 但RG減小時(shí)， IGBT的電流上升率di/dt增大，會(huì)引起IGBT的誤導(dǎo)通，同時(shí)RG電阻的損耗也增加。 一般，在開關(guān)損耗不太大的情況下，選較大的電阻RG。第22頁/共45頁4IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求：(1)由于是容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必

13、須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。(2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門極電容充放電以保證門極控制電壓VGS有足夠陡峭的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外IGBT開通后，門極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率使IGBT不致退出飽和而損壞。(3)門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為210V。 (4)IGBT多用于高壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。(5)門極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，具有對(duì)IGBT的自保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗于擾能力。(6)若為大電感負(fù)載，IGBT的關(guān)斷時(shí)間不宜過短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。第23頁/共45頁二、驅(qū)動(dòng)電路： 在滿足上

14、述驅(qū)動(dòng)條件下來設(shè)計(jì)門極驅(qū)動(dòng)電路，IGBTIGBT的輸入特性與MOSFETMOSFET幾乎相同，因此與MOSFETMOSFET的驅(qū)動(dòng)電路幾乎一樣。注意：1 1IGBTIGBT驅(qū)動(dòng)電路采用正負(fù)電壓雙電源工作方式。2 2信號(hào)電路和驅(qū)動(dòng)電路隔離時(shí)，采用抗噪聲能力強(qiáng)，信號(hào) 傳輸時(shí)間短的快速光耦。3 3門極和發(fā)射極引線盡量短，采用雙絞線。 4 4為抑制輸入信號(hào)振蕩，在門源間并聯(lián)阻尼網(wǎng)絡(luò)。 第24頁/共45頁第25頁/共45頁第26頁/共45頁三、常用PWM控制芯片： TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060， VC1840，SL-64等。四、IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊： 大多數(shù)IGB

15、T生產(chǎn)廠家為了解決IGBT的可靠性問題，都生產(chǎn)與其相配套的混合集成驅(qū)動(dòng)電路，如日本富士的EXB系列、日本東芝的TK系列，美國庫托羅拉的MPD系列等。這些專用驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)，集成化程度高，速度快，保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。富士的EXB841快速驅(qū)動(dòng)電路第27頁/共45頁由放大電路，過流保護(hù)電路，5V基準(zhǔn)電壓源電路組成。具有過流緩關(guān)斷功能。第28頁/共45頁7.3 IGBT7.3 IGBT的保護(hù)的保護(hù)一、常用的保護(hù)措施：(1)通過檢出的過電流信號(hào)切斷門極控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)(2)利用緩沖電路抑制過電壓并限制過量的dv/dt。(3)利用溫度傳感器檢測(cè)IGBT的殼溫，當(dāng)超過允許

16、溫度時(shí)主電路跳問，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。二、過電流保護(hù)措施及注意問題：1IGBT短路時(shí)間：第29頁/共45頁第30頁/共45頁2過電流的識(shí)別： 采用漏極電壓的識(shí)別方法，通過導(dǎo)通壓降判斷漏極電流大小。進(jìn)而切斷門極控制信號(hào)。 注意：識(shí)別時(shí)間和動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于IGBTIGBT允許的短路過電流時(shí)間（幾個(gè)usus），同時(shí)判斷短路的真與假，常用方法是利用降低門極電壓使IGBTIGBT承受短路能力增加，保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)來處理。3 3保護(hù)時(shí)緩關(guān)斷： 由于IGBTIGBT過電流時(shí)電流幅值很大，加之IGBTIGBT關(guān)斷速度快。如果按正常時(shí)的關(guān)斷速度，就會(huì)造成Ldi/dtLdi/dt過大形成很高的尖峰電壓，造成IGBTI

17、GBT的鎖定或二次擊穿，極易損壞IGBTIGBT和設(shè)備中的其他元器件，因此有必要讓IGBTIGBT在允許的短路時(shí)間內(nèi)采取措施使IGBTIGBT進(jìn)行“慢速關(guān)斷”。第31頁/共45頁第32頁/共45頁采用電流互感器和霍爾元件進(jìn)行過流檢測(cè)及過流保護(hù)：第33頁/共45頁三、緩沖電路 利用緩沖電路抑制過電壓，減小dv/dt。50A200A第34頁/共45頁緩沖電路參數(shù)估算： 緩沖電容：220)(dCEPSEVLIC L主回路雜散電感（與配線長(zhǎng)度有關(guān)） I0關(guān)斷時(shí)漏極電流VCEP緩沖電容上電壓穩(wěn)態(tài)值（有安全區(qū)確定） Ed直流電源電壓 緩沖電阻：在關(guān)斷信號(hào)到來前，將緩沖電容上電荷放凈fCRSS321f ：開

18、關(guān)頻率緩沖電阻功率：220fILPSSLS：緩沖電路電感第35頁/共45頁7.4 7.4 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例一、靜音式變頻調(diào)速系統(tǒng)第36頁/共45頁二、工業(yè)加熱電源：第37頁/共45頁三、逆變弧焊電源：第38頁/共45頁四、不間斷電源：UPS第39頁/共45頁五、有源功率濾波器：第40頁/共45頁第八章第八章 新型電力半導(dǎo)體器件新型電力半導(dǎo)體器件一、新型電力電子器件IGCT 集成門極換流晶閘管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是1996年問世的一種新型半導(dǎo)體開關(guān)器件。該器件是將門極驅(qū)動(dòng)電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個(gè)整體形成的。第41頁/共45頁 門極換流晶閘管