IGBT管性能和應(yīng)用講座

1、IGBT管性能和應(yīng)用講座作者:佚名文章來(lái)源:揚(yáng)州機(jī)電維修網(wǎng)點(diǎn)擊數(shù):325 更新時(shí)間:2006-6-11功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET雖然有開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn);但是,較大的通態(tài)電阻使它的最大導(dǎo)通電流容量受到限制.因此MOSFET只能用作中小功率開(kāi)關(guān)元件。而GTR和GTO是雙極型元件,它們具有阻斷電壓高、導(dǎo)通電流大的優(yōu)點(diǎn),但是,它們的開(kāi)關(guān)速度慢,要求的驅(qū)動(dòng)電流大.控制電路比較復(fù)雜。顯然,這些開(kāi)關(guān)器件各有優(yōu)缺點(diǎn)。而其中MOSFET在GTR的不足之處表現(xiàn)得很優(yōu)秀,在GTR優(yōu)秀的地方卻表現(xiàn)得有些不足。于是人們開(kāi)始研究一種能同時(shí)包含MOSFET 和GTR的優(yōu)點(diǎn)的新型開(kāi)關(guān)元件,

2、這就是絕緣柵雙圾晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT。絕緣柵雙級(jí)晶體管是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開(kāi)關(guān)器件。圖224是N溝誼IGBT的等效電路和符號(hào)。從圖224(a中可以看出.它是由一個(gè)N溝道的MOSFET和一個(gè)PNP型GTR 組成,它實(shí)際是以GTR為主導(dǎo)元件,以MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的復(fù)合管。圖224(b的符號(hào)中,G代表柵極,C代表集電極,E代表發(fā)射極,P溝道的IGBT符號(hào)的箭頭方向與此相反。絕緣柵雙極晶體管從1986年至今,發(fā)展得非常迅速、日前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種逆變器中,成為取代GTR的理想開(kāi)關(guān)器件。一.絕緣柵雙極晶體管的

3、特性和參數(shù)絕緣柵雙極晶體管的輸出特性類似于GTR的輸出特性,絕緣柵雙極晶體管的轉(zhuǎn)移特性類似于MOSFET的轉(zhuǎn)移特性,這里不再敘述。1.通態(tài)電壓降圖225為高速I(mǎi)GBBT(50A/600 V和高速M(fèi)OSFET(50 A/500V的通態(tài)電壓降比較。MOSFET的通態(tài)電壓降在全電流范圍內(nèi)為正溫度系數(shù)、而IGBT通態(tài)電壓降在小電流范圍內(nèi)為負(fù)溫度系數(shù),在大電流范圍內(nèi)為正溫度系數(shù)。2.關(guān)斷損耗圖226是在感性負(fù)載時(shí),高速I(mǎi)GBT與MOsFET的關(guān)斷損耗與集電極電流的關(guān)系。由圖可知*常溫下,IGBT的關(guān)斷損耗與MOSFET的大致相同。高溫時(shí),MOSFET的關(guān)斷損耗基本不變,與溫度無(wú)關(guān),而IGBT 則不然,溫

4、度每增加100,損耗增大約2倍。因此,IGBT的關(guān)斷損耗要大些。3.開(kāi)通損耗在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)中,要接人續(xù)流二極管,而續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性將影響IGBT的開(kāi)通損耗,使用快速恢復(fù)二極管將降低IGBT的開(kāi)通損耗。圖227是IGBT與MOSFET的開(kāi)通損耗比較。4.安全工作區(qū)(1擎住效應(yīng)IGBT為四層結(jié)構(gòu).這使其體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶體管,其等效電路如圖2-28所示同時(shí),在這個(gè)寄生晶體管的基極與發(fā)射極之間并聯(lián)個(gè)擴(kuò)展電阻Rb 當(dāng)IGBT的集電極與發(fā)射極之間有電流Ic流過(guò)時(shí),在此電阻上將產(chǎn)生正向偏臵電壓。不過(guò).在規(guī)定的IGBT集電極電流Ic 范圍內(nèi),這個(gè)正向偏臵電壓不大,對(duì)寄生晶體管不起作用。但當(dāng)集

5、電極電流Ic達(dá)到一定程度的時(shí)候.該正向偏臵電壓足以使寄生晶體管導(dǎo)通,進(jìn)而使V2和V3都處于飽和狀態(tài).柵極失去控制作用,這就是所謂擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后,集電極電流Ic增大.造成過(guò)大的功耗,導(dǎo)致器件損壞。可見(jiàn),集電極電流有一個(gè)臨界值Icm,當(dāng)Ic >Icm時(shí).便會(huì)發(fā)生擎住效應(yīng)。為此規(guī)定了集電極通態(tài)電流的最大佰Icm以及相應(yīng)的柵射極間電壓的最大值Vcem 超過(guò)此界限將發(fā)生擎住效應(yīng)。在IGBT關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程中,如果dVce/dt過(guò)高,產(chǎn)生的位移電流流過(guò)擴(kuò)展電阻Rhr時(shí),也可以產(chǎn)生足以使寄生晶體管導(dǎo)通的正向偏臵電壓,形成擎住效應(yīng)。為了防止擎住現(xiàn)象的發(fā)生,使用時(shí)要保證IGBT 的電流不要

6、超過(guò)Icm值,同時(shí),用增加?xùn)艠O電阻Rg的方法來(lái)延長(zhǎng)IGBT 的關(guān)斷時(shí)間,以減小dVce/dt值。值得指出的是,動(dòng)態(tài)擎住所允許的集電極電流比靜態(tài)擎住所允許的要小,所以生產(chǎn)廠商所規(guī)定的Icm值是按動(dòng)態(tài)擎住所允許的最大集電極電流來(lái)確定的。2安全工作區(qū)安全工作區(qū)反映了個(gè)開(kāi)關(guān)器件同時(shí)承受一定電壓和電流的能力.IGBT導(dǎo)通時(shí)的正向偏臵安全工作區(qū),是由集電極電流的最大值Icm 集射極電壓的最大值Vcem和功耗3條邊界極限包圍而成的,如圖229(a所示。最大集電極電流Icm限制了動(dòng)態(tài)擎住現(xiàn)象的發(fā)生;最大集射極電壓Vcem限制了IGBT被正向電壓擊穿,最大功耗則是由最高允許結(jié)溫所決定,導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng),發(fā)熱越嚴(yán)重,

7、安全工作區(qū)就越小,圖229(b是IGBT關(guān)斷時(shí)的反向偏臵安全工作區(qū)。它隨IGBT關(guān)斷時(shí)的dVce/dt而改變,dVce/dt越高、安全工作區(qū)就越小。表24列出了東芝和IXYS公司生產(chǎn)的某種IGBT產(chǎn)品的參數(shù)。二 IGBT管的驅(qū)動(dòng)要求1.對(duì)柵極的驅(qū)動(dòng)要求IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)條件關(guān)系到他的靜態(tài)特性和動(dòng)太特性,一切都圍繞著開(kāi)關(guān)時(shí)間、減小開(kāi)關(guān)損耗、保證電路可靠的工作為目標(biāo)。因此.對(duì)IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路提出如下要求。IGBT與MOSFET都是電壓型驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件.部具有一個(gè)2.55v的開(kāi)柵門(mén)檻電壓,有個(gè)電容性輸入阻抗,因此,IGBT對(duì)柵極電荷聚集非常敏感。所以,驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠,要保證有一條低阻抗值的放

8、電回路.即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充、放電,以保證柵極控制電壓Vge有足夠陡的的前、后沿,使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外,IGBT開(kāi)通后.柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率,使IGBT不會(huì)中途退出飽和而損壞。驅(qū)動(dòng)電路要能提供高頻(幾十kHz脈沖信號(hào),來(lái)利用IGBT的高頻性能。柵極驅(qū)動(dòng)電壓必須要綜合考慮。在開(kāi)通過(guò)程中,正向驅(qū)動(dòng)電壓Vce越大,IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降,但負(fù)載短路時(shí)的電流Ic增大,IGBT能承受短路電流的時(shí)間減小,對(duì)其安全不利。因此,在有短路過(guò)程的應(yīng)用系統(tǒng)中,柵極驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)選得小些,一般情況下應(yīng)取1215V。在關(guān)斷過(guò)程中,為了盡快放掉輸入電容

9、的電荷.加快關(guān)斷過(guò)程,減小關(guān)斷損耗,要對(duì)柵極施Vge。 柵射極最大反向耐壓的限制， 加反向電壓一 Vge。但它受 IGBT 柵射極最大反向耐壓的限制，所以一 般的原則是： 般的原則是：對(duì)小容量 不加反向電壓也能工作; 的 IG8T 不加反向電壓也能工作;對(duì)中容量的 IGBT 加 56v 的反向電 壓；對(duì)大容量的 IGBT 左右。 要加大到 10 V 左右。 的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能太短， di 在大電感的負(fù)載下， 在大電感的負(fù)載下，IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能太短，以限制 didz 所形成的尖峰電壓， 所形成的尖峰電壓，確 了的安全。 保 IGB 了的安全。 多用于高壓場(chǎng)合 所以驅(qū)動(dòng)電路與控制電路一定要嚴(yán)

10、壓場(chǎng)合， 由于 IGBT 多用于高壓場(chǎng)合， 格隔離. 格隔離. 的自保護(hù)功能， 柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單可靠， 柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單可靠，具有 IGBT 的自保護(hù)功能，并 有較強(qiáng)的抗干擾 能力。 能力。 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上給定的數(shù)值； 柵極電阻 RG 可選用 IGBT 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上給定的數(shù)值；但當(dāng) IGBT 的容量加大時(shí)， 的容量加大時(shí)，分布 電感產(chǎn)生的浪涌電壓與二極管恢復(fù)時(shí)的振蕩電壓增大， 電感產(chǎn)生的浪涌電壓與二極管恢復(fù)時(shí)的振蕩電壓增大，這將使柵極產(chǎn) 生誤動(dòng)作， 生誤動(dòng)作，因此必須選用 較大的電阻，盡管這樣做會(huì)增大損耗。 較大的電阻，盡管這樣做會(huì)增大損耗。 2IGBT 專用驅(qū)動(dòng)集成電路 的幾乎

11、相同， 原則上 IGBT 的驅(qū)動(dòng)特性與 MOSFET 的幾乎相同，但由于兩者使用 的范圍不同， 多用于大中功率， MOSFET 多用于中小功率， 的范圍不同，IG8T 多用于大中功率，而 MOSFET 多用于中小功率，所 以它們的驅(qū)動(dòng)電路也有差異。 一般使用專用集成驅(qū)動(dòng)器， 以它們的驅(qū)動(dòng)電路也有差異。IGBT 一般使用專用集成驅(qū)動(dòng)器，它們集 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)為一體。 常用的專用集成電路有： 富士公司的 EXB840、 、 EXB840、 841、 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)為一體。 常用的專用集成電路有： 841 850、 系列;IR 系列； MC35158； 850、85l 系列;IR 公司的 IR2l00 系列

12、；MOTOROLA 公司的 MC35158； UniUC3714、 3715； M57957 M57963 系列。 Uni-trode 公司的 UC3714、 3715； 三菱公司的 M57957M57963 系列。 為例， 下面以富士公司的 EXB840 和三菱公司的 M57962D 為例，介紹 IGBT 的 柵極驅(qū)動(dòng)電路。 柵極驅(qū)動(dòng)電路。 (1EXB840 組成的驅(qū)動(dòng)電路 是一種高速驅(qū)動(dòng)集成電路 40KHz EXB840 是一種高速驅(qū)動(dòng)集成電路最高使用頻率為 40KHz能驅(qū) IGBT， 5us。 動(dòng) 150A/600V 或者 75A/1200V 的 IGBT， 驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲小于 1 。

13、 5us 供電。 采用單電源 20V 供電。 所示。它主要由輸入隔離電路、 EXB840 的功能框圖如圖 230 所示。它主要由輸入隔離電路、驅(qū) 功放大電路、過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)電路以及電源電路組成。 功放大電路、過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)電路以及電源電路組成。其中輸入隔離 電路是由高速光電耦合器組成， 的信號(hào)。 電路是由高速光電耦合器組成，可隔離交流 2500V 的信號(hào)。過(guò)流檢測(cè) 柵極驅(qū)動(dòng)電平和集電極電壓之間的關(guān)系， 及保護(hù)電路根據(jù) IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)電平和集電極電壓之間的關(guān)系， 檢測(cè)是 否有過(guò)流現(xiàn)象存在。如果有過(guò)流， IGBT， 否有過(guò)流現(xiàn)象存在。如果有過(guò)流，保護(hù)電路將慢速關(guān)斷 IGBT，以防止 過(guò)快地關(guān)斷

14、時(shí)而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)升高 過(guò)快地關(guān)斷時(shí)而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)升高 ，使 IGBT IGBT。 外部供電電源變成+15V 集電極電壓過(guò)高而損壞 IGBT。電源電路將 20V 外部供電電源變成+15V 的開(kāi)柵電壓和- 的關(guān)柵電壓。 的開(kāi)柵電壓和-5V 的關(guān)柵電壓。 的引腳定義如下： EXB840 的引腳定義如下：引腳 1 用于連接反偏置電源的濾波電 分別是電源和地； 為驅(qū)動(dòng)輸出； 容；引腳 2 和引腳 9 分別是電源和地；引腳 3 為驅(qū)動(dòng)輸出；引腳 4 用 于連接外部電容器，以防止過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)作( 于連接外部電容器，以防止過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)作(一般場(chǎng)合不需要這個(gè)電 為過(guò)流保護(hù)

15、輸出； 集電極電壓監(jiān)視端； 容；引腳 5 為過(guò)流保護(hù)輸出；引腳 6 為 IGBTT 集電極電壓監(jiān)視端；引 為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端；其余引腳不用。 腳 14 和引腳 15 為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端；其余引腳不用。 所示。 采用 EXB840 集成電路驅(qū)動(dòng) IGBT 的典型應(yīng)用電路如圖 23l 所示。其 ERA34 是快速恢復(fù)二極管。 的柵極驅(qū)動(dòng)連線應(yīng)該用雙絞線， ERA3410 是快速恢復(fù)二極管。IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)連線應(yīng)該用雙絞線， 1m， 以防止干擾。 的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖 其長(zhǎng)度應(yīng)小 1m， 以防止干擾。 如果 IGBT 的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖 可 RG。 增加 IGBT 的柵極電阻阻值 RG。

16、(2M57962L 組成的驅(qū)動(dòng)電路 的原理非常相似。 z， M57962L 與 EXB840 的原理非常相似。 它的最高使用頻率為 20kH z， 400A 200A IGBT。 能驅(qū)動(dòng) 400A600V 或者 200A1400V 的 IGBT。驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲小 5us采用+15V 雙電源供電。 于 15us采用+15V 和-10V 雙電源供電。 所示。 M57962L 的工作原理團(tuán)如圖 232 所示。與 EXB840 不同的是它的 保護(hù)電路。 IGBT 能承受短路的時(shí)間小于 l0us l0us 保護(hù)電路。 因此短路保護(hù)應(yīng)在 l0us 內(nèi)完成。 采用了快速保護(hù)的措施。 內(nèi)完成。M57962L

17、 采用了快速保護(hù)的措施。當(dāng)它檢測(cè)到 IGBT 的柵極電 壓和集電極電壓同時(shí)為高電平時(shí)，就認(rèn)為負(fù)載短路存在， 壓和集電極電壓同時(shí)為高電平時(shí)，就認(rèn)為負(fù)載短路存在，立即降低柵 極驅(qū)動(dòng)電壓， 腳輸出故障信號(hào)， 的時(shí)間。 極驅(qū)動(dòng)電壓，并從 8 腳輸出故障信號(hào)，這一過(guò)程用 26us 的時(shí)間。經(jīng) 的延時(shí)后， 如果保護(hù)電路輸入信號(hào)恢復(fù)低電平 過(guò) 12ms 的延時(shí)后，如果保護(hù)電路輸入信號(hào)恢復(fù)低電平則保護(hù)電路 就自動(dòng)復(fù)位到正常狀態(tài)。 就自動(dòng)復(fù)位到正常狀態(tài)。 的引腳定義如下： M57962L 的引腳定義如下：引腳 l 是保護(hù)電路對(duì) IGBT 集電極檢測(cè) 輸入端; 分別是+15v 電源輸入端； 輸入端;引腳 4 和引腳 6 分別是+15v 和-10v 電源輸入端；引腳 5 是驅(qū) 動(dòng)輸出端； 是故障狀態(tài)輸出端 出端； 動(dòng)輸出端；引腳 8 是故障狀態(tài)輸出端；引腳 13 和引腳 14 是驅(qū)動(dòng)信號(hào) 輸入端；其余引腳不用。 輸入端；其余引腳不用。 采用 M57962L 集成電路驅(qū)動(dòng) IGBT 的典型應(yīng)用電路如圖 233 所 是快速恢復(fù)二極管， 2us。 示。其中 D1 是快速恢復(fù)二極管，要求恢復(fù)時(shí)間小于 02us。