IGBT絕緣柵雙極晶體管

1、雙極型器件雙極型器件GTR（大功率晶體管）（大功率晶體管）結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖優(yōu)點(diǎn)：由于有少數(shù)載流子的注入對(duì)漂優(yōu)點(diǎn)：由于有少數(shù)載流子的注入對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)的調(diào)制，其通流能力一般都移區(qū)電導(dǎo)的調(diào)制，其通流能力一般都很高，電流密度約為很高，電流密度約為200300A/cm2，因此器件尺寸小，價(jià)格低。因此器件尺寸小，價(jià)格低。缺點(diǎn)：除開(kāi)關(guān)速度低外，開(kāi)關(guān)過(guò)程中缺點(diǎn)：除開(kāi)關(guān)速度低外，開(kāi)關(guān)過(guò)程中的功率消耗太大。的功率消耗太大。單極型器件單極型器件 VMOS結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖克服了雙極型器件的以上二個(gè)缺克服了雙極型器件的以上二個(gè)缺點(diǎn)，但由于沒(méi)有少數(shù)載流子的電點(diǎn)，但由于沒(méi)有少數(shù)載流子的電導(dǎo)調(diào)制作用，以至于通態(tài)電阻導(dǎo)

2、調(diào)制作用，以至于通態(tài)電阻Ron較大，通流能力較小。如較大，通流能力較小。如600V耐壓耐壓VMOS最大電流密度僅最大電流密度僅為為10A/cm2。BiMOS器件器件兼雙極和單極型器件所長(zhǎng)構(gòu)成的兼雙極和單極型器件所長(zhǎng)構(gòu)成的一種新型器件。這種新型器件設(shè)一種新型器件。這種新型器件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)就是雙極計(jì)與制造技術(shù)就是雙極MOS復(fù)復(fù)合器件技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)合器件技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)BiMOS技術(shù)。技術(shù)。如如IGBT、MCT等。等。 IGBT IGBT-絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管是一種新型電力電子器件，具有輸是一種新型電力電子器件，具有輸入阻抗高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、入阻抗高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、安全工

3、作區(qū)寬、電流處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，安全工作區(qū)寬、電流處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制、中頻開(kāi)關(guān)電源和廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制、中頻開(kāi)關(guān)電源和逆變器、機(jī)器人、空調(diào)器以及要求快速、逆變器、機(jī)器人、空調(diào)器以及要求快速、低損耗的許多領(lǐng)域低損耗的許多領(lǐng)域IGBT（IGT），），1982年研制，年研制，第一代于第一代于1985年生產(chǎn)，主要年生產(chǎn)，主要特點(diǎn)是低損耗，導(dǎo)通壓降為特點(diǎn)是低損耗，導(dǎo)通壓降為3V，下降時(shí)間，下降時(shí)間0.5us，耐壓，耐壓500600V，電流，電流25A。第二。第二代于代于1989年生產(chǎn)，有高速開(kāi)年生產(chǎn)，有高速開(kāi)關(guān)型和低通態(tài)壓降型，容量關(guān)型和低通態(tài)壓降型，容量為為400A/5001400V，

4、工作頻，工作頻率達(dá)率達(dá)20KHZ。目前第三代正在發(fā)展，仍然分目前第三代正在發(fā)展，仍然分為兩個(gè)方向，一是追求損耗為兩個(gè)方向，一是追求損耗更低和速度更高；另一方面更低和速度更高；另一方面是發(fā)展更大容量，采用平板是發(fā)展更大容量，采用平板壓接工藝，容量達(dá)壓接工藝，容量達(dá)1000A，4500V；命名為；命名為IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)IGBT模塊1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模塊模塊PowerexCM300DY-24H4x IGBT4x二極管二極管IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原

5、理IGBT是在是在VMOS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，兩者結(jié)構(gòu)十分類(lèi)似，不同之處是兩者結(jié)構(gòu)十分類(lèi)似，不同之處是IGBT多了一層多了一層P+層發(fā)射極，從而多了一個(gè)層發(fā)射極，從而多了一個(gè)大面積的大面積的P+N結(jié)（結(jié)（J1）。）。IGBT也有也有N溝道和溝道和P溝道之分。溝道之分。集電極集電極 C鋁柵結(jié)構(gòu)鋁柵結(jié)構(gòu)IGBTIGBT每個(gè)器每個(gè)器件單元實(shí)際件單元實(shí)際上就是上就是MOSFET和和雙極晶體管雙極晶體管BJT的組合的組合1、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)硅柵結(jié)構(gòu)硅柵結(jié)構(gòu)IGBT IGBT的構(gòu)造和功率MOSFET的對(duì)比如左圖所示。IGBT是通過(guò)在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構(gòu)成的，從而具有

6、以下特征。MOSFETIGBT 1電壓控制型元件 IGBT的理想等效電路，正如圖2所示，是對(duì)pnp雙極型晶體管和功率MOSFET進(jìn)行達(dá)林頓連接(就是兩個(gè)三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管)后形成的單片型Bi-MOS晶體管。因此，在門(mén)極發(fā)射極之間外加正電壓使功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，pnp晶體管的基極集電極間就連接上了低電阻，從而使pnp晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。此后，使門(mén)極發(fā)射極之間的電壓為0V時(shí)，首先功率MOSFET處于斷路狀態(tài)，pnp晶體管的基極電流被切斷，從而處于斷路狀態(tài)。如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過(guò)電壓信號(hào)可以控制開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)作。 2耐高壓、大容量 IGBT和功率MOSFE

7、T同樣，雖然在門(mén)極上外加正電壓即可導(dǎo)通，但是由于通過(guò)在漏極上追加p+層，在導(dǎo)通狀態(tài)下從p+層向n基極注入空穴，從而引發(fā)傳導(dǎo)性能的轉(zhuǎn)變，因此它與功率MOSFET相比，可以得到極低的通態(tài)電阻。等效電路等效電路S12DE（S）C（D）G圖形符號(hào)圖形符號(hào)特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有通態(tài)密度具有通態(tài)密度高、正反向阻高、正反向阻斷能力強(qiáng)以及斷能力強(qiáng)以及導(dǎo)通和關(guān)斷雙導(dǎo)通和關(guān)斷雙可控特點(diǎn)，且可控特點(diǎn)，且功耗小功耗小202022-3-63、IGBT分類(lèi)分類(lèi)溝道溝道N溝道溝道IGBTP溝道溝道IGBT緩沖區(qū)緩沖區(qū)有，非對(duì)稱(chēng)型有，非對(duì)稱(chēng)型IGBT（穿通型）（穿通型）無(wú)，對(duì)稱(chēng)型無(wú)，對(duì)稱(chēng)型IGBT（非穿通型）（非穿通型） NPT-

8、IGBT:非沖壓機(jī)非沖壓機(jī)Throught-IGBTPT-IGBT: 沖壓機(jī)沖壓機(jī)Throught-IGBT212022-3-6IGBT按緩沖區(qū)的有無(wú)來(lái)分類(lèi)，緩沖區(qū)是介于按緩沖區(qū)的有無(wú)來(lái)分類(lèi)，緩沖區(qū)是介于P+發(fā)射區(qū)和發(fā)射區(qū)和N-飄移區(qū)之間的飄移區(qū)之間的N+層。無(wú)緩沖區(qū)者稱(chēng)層。無(wú)緩沖區(qū)者稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)型為對(duì)稱(chēng)型IGBT，有緩沖區(qū)者稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)型，有緩沖區(qū)者稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)型IGBT。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同，因而特性也不同。非對(duì)稱(chēng)型因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同，因而特性也不同。非對(duì)稱(chēng)型IGBT由于存在由于存在N+區(qū)，反向阻斷能力弱，但其正區(qū)，反向阻斷能力弱，但其正向壓降低、關(guān)斷時(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流?。慌c向壓降低、關(guān)斷時(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部

9、電流小；與此相反，對(duì)稱(chēng)型此相反，對(duì)稱(chēng)型IGBT具有正反向阻斷能力，其具有正反向阻斷能力，其他特性卻不及非對(duì)稱(chēng)型他特性卻不及非對(duì)稱(chēng)型IGBT。目前商品化的。目前商品化的IGBT單管或模塊大部分是非對(duì)稱(chēng)型單管或模塊大部分是非對(duì)稱(chēng)型IGBT。222022-3-6一一. .非對(duì)稱(chēng)型非對(duì)稱(chēng)型IGBT的物理描述的物理描述 電導(dǎo)調(diào)制電導(dǎo)調(diào)制 反向阻斷反向阻斷CE發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極232022-3-6雙載流子參與導(dǎo)電雙載流子參與導(dǎo)電242022-3-6 IGBT IGBT也屬場(chǎng)控器件，其驅(qū)動(dòng)原也屬場(chǎng)控器件，其驅(qū)動(dòng)原理與電力理與電力MOSFETMOSFET基本相同，是一基本相同，是一種由柵極電壓種由柵極電

10、壓UGEUGE控制集電極電流控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。的柵控自關(guān)斷器件。v 導(dǎo)通：導(dǎo)通：U UGEGE大于開(kāi)啟電壓大于開(kāi)啟電壓U UGE(th)GE(th)時(shí)，時(shí)，MOSFETMOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，供基極電流，IGBTIGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通。v 導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻R RN N減小，使通態(tài)壓降小。減小，使通態(tài)壓降小。v 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，信號(hào)時(shí)，MOSFETMOSFET內(nèi)的溝道消失，內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，晶體管的基極電流被切斷，IGBTIGBT關(guān)斷。

11、關(guān)斷。圖圖3.7.2 IGBT3.7.2 IGBT伏安特性伏安特性2、工作原理：、工作原理：IGBT的集電極相對(duì)于發(fā)射的集電極相對(duì)于發(fā)射極加負(fù)電壓時(shí)，由于極加負(fù)電壓時(shí)，由于P+N結(jié)（結(jié)（J1）處于反偏狀態(tài)，）處于反偏狀態(tài)，因而不管因而不管VDMOS的溝道的溝道體中有沒(méi)有形成溝道，電體中有沒(méi)有形成溝道，電流都不能在流都不能在C、E間形成。間形成。因此因此IGBT比比VMOS多了一多了一個(gè)個(gè)J1結(jié)，因而獲得了反向結(jié)，因而獲得了反向電壓阻斷能力。反向阻斷電壓阻斷能力。反向阻斷電壓的高低決定于電壓的高低決定于J1結(jié)的結(jié)的雪崩擊穿電壓。雪崩擊穿電壓。DS+J1J2J3IGBT阻斷原理阻斷原理DS+J1J

12、2J3IGBT的正向阻斷電壓的正向阻斷電壓則是由則是由J2結(jié)的雪崩電壓結(jié)的雪崩電壓決定。因?yàn)闆Q定。因?yàn)閂CE為正為正時(shí)，若柵極對(duì)發(fā)射極短時(shí)，若柵極對(duì)發(fā)射極短路，路，J2結(jié)處于反向偏置結(jié)處于反向偏置狀態(tài)而狀態(tài)而VDMOS未能形未能形成導(dǎo)電溝道。成導(dǎo)電溝道。但若此時(shí)對(duì)柵極加正向但若此時(shí)對(duì)柵極加正向電壓，溝道體表面形成電壓，溝道體表面形成溝道，溝道，IGBT進(jìn)入正向進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)。DS+J1J2J3+（?。ㄐ。╇娮佑呻娮佑蒒+發(fā)射區(qū)經(jīng)反型層進(jìn)發(fā)射區(qū)經(jīng)反型層進(jìn)入入N基區(qū)。降低了基區(qū)。降低了N基區(qū)的電基區(qū)的電位。加速位。加速P+區(qū)向區(qū)向N-注入空穴注入空穴進(jìn)程。直到超過(guò)進(jìn)程。直到超過(guò)N基區(qū)

13、中的基區(qū)中的多數(shù)載流子。多數(shù)載流子。只要柵壓足夠高，只要柵壓足夠高，IGBT的通的通態(tài)伏安特性就與二極管的通態(tài)伏安特性就與二極管的通態(tài)特性一樣，即使阻斷電壓態(tài)特性一樣，即使阻斷電壓額定值較高的器件，其電流額定值較高的器件，其電流容量也能達(dá)到很高值。容量也能達(dá)到很高值。IGBT導(dǎo)通原理導(dǎo)通原理 作為一個(gè)虛擬達(dá)林作為一個(gè)虛擬達(dá)林頓電路末級(jí)，頓電路末級(jí)，PNP管從管從不進(jìn)入深飽和區(qū)，它的不進(jìn)入深飽和區(qū)，它的電壓降比處于深飽和區(qū)電壓降比處于深飽和區(qū)的同樣的同樣PNP管要高。然管要高。然而特別應(yīng)該指出的是：而特別應(yīng)該指出的是：一個(gè)一個(gè)IGBT發(fā)射極覆蓋發(fā)射極覆蓋芯片的整個(gè)面積，因此芯片的整個(gè)面積，因此它

14、的注射效率和通態(tài)壓它的注射效率和通態(tài)壓降比同樣尺寸的雙極晶降比同樣尺寸的雙極晶體管要優(yōu)越得多。體管要優(yōu)越得多。對(duì)于已正向?qū)ǖ膶?duì)于已正向?qū)ǖ腎GBT，如果想令其轉(zhuǎn)，如果想令其轉(zhuǎn)入關(guān)斷狀態(tài)，只須讓入關(guān)斷狀態(tài)，只須讓VG=0即可，可以通過(guò)即可，可以通過(guò)將柵極與發(fā)射極短路來(lái)將柵極與發(fā)射極短路來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。302022-3-6思考與討論1, 請(qǐng)分析IGBT與MOSFET的區(qū)別。2, 請(qǐng)分析IGBT的工作原理。312022-3-6（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性v伏安特性伏安特性IGBT的伏安特性與的伏安特性與GTR類(lèi)似，不同之處是，控類(lèi)似，不同之處是，控制參數(shù)是門(mén)源電壓制參數(shù)是門(mén)源電壓VGS，而不是基極電流

15、，伏安而不是基極電流，伏安特性分飽和區(qū)（特性分飽和區(qū)（）、）、放大區(qū)（放大區(qū)（）和擊穿區(qū)）和擊穿區(qū)（）。如果無(wú)）。如果無(wú)N+緩沖緩沖區(qū)，正反向阻斷電壓可區(qū)，正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，但加以做到同樣水平，但加入緩沖區(qū)，反向阻斷電入緩沖區(qū)，反向阻斷電壓只有幾十伏。壓只有幾十伏。4、工作特性與參數(shù)、工作特性與參數(shù)VBRICVCEIGBT的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)：靜態(tài)特性。IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、飽和電壓特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。322022-3-6IGBT的伏安特性的伏安特性 反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGEUGE下器件的輸下器件的輸出端電壓出端電壓

16、U UCECE與電流與電流I Ic c的關(guān)系。的關(guān)系。 IGBTIGBT的伏安特性分為的伏安特性分為: :截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。區(qū)和擊穿區(qū)。圖圖3.7.2 IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性332022-3-6當(dāng)當(dāng)MOSFET的導(dǎo)電溝道充分的導(dǎo)電溝道充分開(kāi)啟，開(kāi)啟，IGBT的集電極電流主的集電極電流主要由釘二極管部份決定，其要由釘二極管部份決定，其通態(tài)伏安特性為指數(shù)函數(shù)，通態(tài)伏安特性為指數(shù)函數(shù)，而而VMOS和和GTR皆為線性關(guān)皆為線性關(guān)系。因此，在同樣的耐壓下，系。因此，在同樣的耐壓下，使用使用IGBT比使用比使用VMOS和和GTR更容易通過(guò)

17、較大電流，更容易通過(guò)較大電流，獲得更大的功率輸出。如對(duì)獲得更大的功率輸出。如對(duì)于于600V等級(jí)的器件，等級(jí)的器件，IGBT能能夠承受的最大電流密度一般夠承受的最大電流密度一般是是VMOS的的20倍，是倍，是GTR的的5倍左右。倍左右。342022-3-6v轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性由圖可知，由圖可知，IGBT電流電流密度較大，通態(tài)電壓密度較大，通態(tài)電壓的溫度系數(shù)在小電流的溫度系數(shù)在小電流范圍內(nèi)為負(fù)，大電流范圍內(nèi)為負(fù)，大電流范圍內(nèi)為正，其值約范圍內(nèi)為正，其值約為為1.4倍倍/100。這是因?yàn)樵诘碗娏鲄^(qū)域，這是因?yàn)樵诘碗娏鲄^(qū)域，VBE、hFE起支配作用，起支配作用，故具有負(fù)的溫度系數(shù)。而在大電流區(qū)故具有負(fù)的

18、溫度系數(shù)。而在大電流區(qū)Repi，Rch起支配作用，器件便具有正溫度系數(shù)。起支配作用，器件便具有正溫度系數(shù)。VCEIC352022-3-6由于由于MOSFET和和PNP管在這里是管在這里是達(dá)林頓接法，其電流不會(huì)像達(dá)林頓接法，其電流不會(huì)像MOSFET那樣從零伏開(kāi)始上升，那樣從零伏開(kāi)始上升，而是存在著而是存在著PNP晶體管晶體管VBE所需所需要的偏置電壓。一旦電導(dǎo)調(diào)制效要的偏置電壓。一旦電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)發(fā)生后，其動(dòng)態(tài)電阻與應(yīng)發(fā)生后，其動(dòng)態(tài)電阻與MOSFET相比則非常小。相比則非常小。IGBT不適合于要求器件壓降低于不適合于要求器件壓降低于0.7V的場(chǎng)合下使用的場(chǎng)合下使用擊穿電壓高的擊穿電壓高的IGBT器

19、件電流容量較低。高耐壓器件器件電流容量較低。高耐壓器件的的N基區(qū)較寬?；鶇^(qū)較寬。362022-3-6 U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)( (開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓, ,一一般為般為3 36V) 6V) ；其輸出電流；其輸出電流I Ic c與驅(qū)動(dòng)電壓與驅(qū)動(dòng)電壓U UGEGE基本呈線性關(guān)基本呈線性關(guān)系；系； 圖圖3.7.2 IGBT的伏安特的伏安特 性和轉(zhuǎn)移特性性和轉(zhuǎn)移特性IGBTIGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖b b）IGBTIGBT關(guān)斷：關(guān)斷：IGBTIGBT開(kāi)通：開(kāi)通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)；372022-3-6由于由于IGBT中的電中的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的

20、影響，導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的影響，PT型型IGBT的飽和的飽和壓降，在小電流區(qū)壓降，在小電流區(qū)域具有負(fù)溫度系數(shù)，域具有負(fù)溫度系數(shù)，在大電流區(qū)域具有在大電流區(qū)域具有正溫度系數(shù)。但正溫度系數(shù)。但NPT型型IGBT中，中，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的影電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的影響沒(méi)有響沒(méi)有PT型型IGBT強(qiáng)，因此強(qiáng)，因此NPT型型IGBT具有正溫度具有正溫度系數(shù)，適應(yīng)于并聯(lián)系數(shù)，適應(yīng)于并聯(lián)使用。使用。飽和壓降特性飽和壓降特性382022-3-6（二）動(dòng)態(tài)特性（二）動(dòng)態(tài)特性1開(kāi)通過(guò)程：開(kāi)通過(guò)程：td(on)：開(kāi)通延遲時(shí)間：開(kāi)通延遲時(shí)間tri：電流上升時(shí)間：電流上升時(shí)間tfv1，tfv2：漏源電壓下降時(shí)間：漏源電壓下降時(shí)間tfv1：MO

21、SFET單獨(dú)工作時(shí)的單獨(dú)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間。電壓下降時(shí)間。tfv2：MOSFET和和PNP管同時(shí)工管同時(shí)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間。隨漏源作時(shí)的電壓下降時(shí)間。隨漏源電壓下降而延長(zhǎng)；受電壓下降而延長(zhǎng)；受PNP管飽管飽和過(guò)程影響。和過(guò)程影響。平臺(tái)：由于門(mén)源間流過(guò)驅(qū)動(dòng)電流，門(mén)源平臺(tái)：由于門(mén)源間流過(guò)驅(qū)動(dòng)電流，門(mén)源間呈二極管正向特性，間呈二極管正向特性，VGS維持不變。維持不變。392022-3-6IGBT的開(kāi)關(guān)特性的開(kāi)關(guān)特性 （1）IGBT的開(kāi)通過(guò)程：的開(kāi)通過(guò)程： 從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^(guò)程。正向?qū)ǖ倪^(guò)程。 v 開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) ： IC從從10%UCEM

22、到到10%ICM所需時(shí)間。所需時(shí)間。v 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr ： IC從從10%ICM上升至上升至90%ICM所需時(shí)間。所需時(shí)間。v 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton ton ： ton = td(on) + + tr圖圖3 3.7.3 IGBT的開(kāi)關(guān)特性的開(kāi)關(guān)特性 402022-3-62關(guān)斷過(guò)程：關(guān)斷過(guò)程：td(off)：延遲時(shí)間：延遲時(shí)間trv：VDS上升時(shí)間上升時(shí)間tfi2：由：由PNP晶體管中晶體管中存儲(chǔ)電荷決定，此時(shí)存儲(chǔ)電荷決定，此時(shí)MOSFET已關(guān)斷，已關(guān)斷，IGBT又無(wú)反向電壓，又無(wú)反向電壓，體內(nèi)存儲(chǔ)電荷很難迅體內(nèi)存儲(chǔ)電荷很難迅速消除，因此下降時(shí)速消除，因此下降時(shí)間較長(zhǎng)，間較長(zhǎng)，V

23、DS較大，功較大，功耗較大。一般無(wú)緩沖耗較大。一般無(wú)緩沖區(qū)的，下降時(shí)間短。區(qū)的，下降時(shí)間短。由由MOSFET決定決定412022-3-6IGBT的關(guān)斷過(guò)程的關(guān)斷過(guò)程v 關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) ：從從UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻的時(shí)刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v 電流下降時(shí)間：電流下降時(shí)間：ic從從90%ICM下降至下降至10%ICM 。v 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff：關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和。與電流下降之和。 電流下降時(shí)間又可分為電流下降時(shí)間又可分為tfi1和和tfi2 tfi1IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的MOSFET的的關(guān)斷過(guò)程，關(guān)斷

24、過(guò)程，ic下降較快；下降較快； tfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶體管晶體管的關(guān)斷過(guò)程，的關(guān)斷過(guò)程，ic下降較慢。下降較慢。圖圖3.7.3 IGBT的開(kāi)關(guān)特性的開(kāi)關(guān)特性 422022-3-63開(kāi)關(guān)時(shí)間：用電流的動(dòng)態(tài)波形確定開(kāi)關(guān)時(shí)間。開(kāi)關(guān)時(shí)間：用電流的動(dòng)態(tài)波形確定開(kāi)關(guān)時(shí)間。漏極電流的開(kāi)通時(shí)間和上升時(shí)間：漏極電流的開(kāi)通時(shí)間和上升時(shí)間：開(kāi)通時(shí)間：開(kāi)通時(shí)間：t tonon= =td(on)+tri上升時(shí)間：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：漏極電流的關(guān)斷時(shí)間和下降時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間：t toffoff= =td(off)+trv下降時(shí)間：下降時(shí)間：t tf f=

25、=tfi1+tfi2反向恢復(fù)時(shí)間：反向恢復(fù)時(shí)間：t trrrr432022-3-6動(dòng)態(tài)特性（開(kāi)關(guān)特性）動(dòng)態(tài)特性（開(kāi)關(guān)特性）IGBT動(dòng)態(tài)特性 iCtt1 1t2 2t3 3t4 4USTuGEUGEM0.1UGEMICM0.9ICMtONtOFF0.1ICM0.9UGEMuCEMOSONGTRONMOSOFFGTROFFt鉗位效應(yīng)：鉗位效應(yīng)：G-E驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流 二極管正向特性拖尾電流拖尾電流MOS已已經(jīng)關(guān)斷，經(jīng)關(guān)斷，IGBT存存儲(chǔ)電荷釋儲(chǔ)電荷釋放緩慢放緩慢442022-3-6ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi

26、2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM452022-3-6 與與MOSFET的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中IGBT在大部分時(shí)間在大部分時(shí)間作為作為MOSFET運(yùn)行運(yùn)行 開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(在在) 從從uGE上升至其幅值上升至其幅值10%的時(shí)的時(shí)刻，到刻，到iC上升至上升至10% ICM 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr iC從從10%ICM上升至上升至90%ICM所所需時(shí)間需時(shí)間 開(kāi)通時(shí)間噸開(kāi)通時(shí)間噸開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和 uCE的下降過(guò)程分為的下降過(guò)程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。tfv1

27、IGBT中中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程IGBT的開(kāi)通過(guò)程的開(kāi)通過(guò)程462022-3-64開(kāi)關(guān)時(shí)間與漏極電流、門(mén)極電阻、結(jié)溫等參數(shù)的關(guān)系：開(kāi)關(guān)時(shí)間與漏極電流、門(mén)極電阻、結(jié)溫等參數(shù)的關(guān)系：472022-3-65開(kāi)關(guān)損耗與溫度和漏極電流關(guān)系開(kāi)關(guān)損耗與溫度和漏極電流關(guān)系482022-3-6思考與討論3,請(qǐng)畫(huà)圖并歸納說(shuō)明IGBT的基本特性。1, 請(qǐng)分析IGBT與MOSFET的區(qū)別。2, 請(qǐng)分析IGBT的工作原理。492022-3-6（三）擎住效應(yīng)（三）擎住效應(yīng)IGBT的鎖定現(xiàn)象又稱(chēng)擎住

28、效應(yīng)。的鎖定現(xiàn)象又稱(chēng)擎住效應(yīng)。IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個(gè)寄生復(fù)合器件內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管存在，它由晶閘管存在，它由PNP利利NPN兩個(gè)晶體管組成。在兩個(gè)晶體管組成。在NPN晶體管晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)電阻的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)電阻Rbr，在該電阻上，在該電阻上，P型型體區(qū)的橫向空穴流會(huì)產(chǎn)生一定壓降。對(duì)體區(qū)的橫向空穴流會(huì)產(chǎn)生一定壓降。對(duì)J3結(jié)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于加一個(gè)結(jié)來(lái)說(shuō)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，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)漏極電流大到晶體管不起作用。當(dāng)漏極電流大到定程度時(shí)，這個(gè)正偏定程度時(shí)，這個(gè)正偏

29、量電壓足以使量電壓足以使NPN晶體管導(dǎo)通，進(jìn)而使寄生晶閘管開(kāi)通、門(mén)極晶體管導(dǎo)通，進(jìn)而使寄生晶閘管開(kāi)通、門(mén)極失去控制作用、這就是所謂的擎住效應(yīng)。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。發(fā)生擎住效應(yīng)后。漏極電流增大造成過(guò)高的功耗，最后導(dǎo)致器件損壞。漏極電流增大造成過(guò)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(guò)臨界值漏極通態(tài)電流的連續(xù)值超過(guò)臨界值IDM時(shí)產(chǎn)生的擎住效應(yīng)稱(chēng)為靜時(shí)產(chǎn)生的擎住效應(yīng)稱(chēng)為靜態(tài)擎住現(xiàn)象。態(tài)擎住現(xiàn)象。IGBT在關(guān)斷的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的擎住效應(yīng)。動(dòng)態(tài)擎住所允許在關(guān)斷的過(guò)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)

30、定的的漏極電流比靜態(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的。值是按動(dòng)態(tài)擎住所允許的最大漏極電流而確定的。502022-3-6動(dòng)態(tài)過(guò)程中擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由重加動(dòng)態(tài)過(guò)程中擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由重加dv/dt來(lái)決定，此外還受來(lái)決定，此外還受漏極電流漏極電流IDM以及結(jié)溫以及結(jié)溫Tj等因素的影響。等因素的影響。在使用中為了避免在使用中為了避免IGBT發(fā)生擎住現(xiàn)象發(fā)生擎住現(xiàn)象:1設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)保證設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)保證IGBT中的電流不超過(guò)中的電流不超過(guò)IDM值；值；2用加大門(mén)極電阻用加大門(mén)極電阻RG的辦法延長(zhǎng)的辦法延長(zhǎng)IGBT的關(guān)斷時(shí)間，減小重加的關(guān)斷時(shí)間，減小重

31、加dVDS/dt。3器件制造廠家也在器件制造廠家也在IGBT的工藝與結(jié)構(gòu)上想方設(shè)法盡可能提的工藝與結(jié)構(gòu)上想方設(shè)法盡可能提高高IDM值，盡量避免產(chǎn)生擎住效應(yīng)。值，盡量避免產(chǎn)生擎住效應(yīng)。512022-3-6DS+J1J2J3+（?。ㄐ。㊣GBT的的C與與E 之間寄生之間寄生了一個(gè)晶閘管（具有自了一個(gè)晶閘管（具有自鎖能力），為什么不能鎖能力），為什么不能通過(guò)通過(guò)VG=0而關(guān)斷？而關(guān)斷？避免避免IGBT在導(dǎo)通后被在導(dǎo)通后被自鎖的設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是要自鎖的設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是要保證保證1+21IGBT擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)522022-3-6IGBT的擎?。ㄩT(mén)插銷(xiāo)）效應(yīng)的擎?。ㄩT(mén)插銷(xiāo)）效應(yīng)GCERNRPSCR 靜態(tài)擎住

32、動(dòng)態(tài)擎住 過(guò)熱擎住P區(qū)體電阻區(qū)體電阻RP引發(fā)擎住引發(fā)擎住關(guān)斷過(guò)急關(guān)斷過(guò)急位移電流位移電流ECEJidtduCCJPN結(jié)電容RG 不能過(guò)小，限制關(guān)斷時(shí)間。不能過(guò)小，限制關(guān)斷時(shí)間。RP 及及PNP、NPN 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)因溫度升高而增大。（150時(shí)ICM降至1/2）IGBT的安全工作區(qū)正向安全工作區(qū)正向安全工作區(qū)反向安全工作區(qū)反向安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA) 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA） 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定542022-3-6門(mén)極驅(qū)動(dòng)門(mén)極驅(qū)

33、動(dòng)一、驅(qū)動(dòng)條件：一、驅(qū)動(dòng)條件：門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的正偏壓門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的正偏壓VGS，負(fù)偏壓，負(fù)偏壓VGS，門(mén)極電阻，門(mén)極電阻RG的大小，的大小，決定決定IGBT的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，如：通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，如：通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、短路能力、電流損耗、短路能力、電流di/dt及及dv/dt。552022-3-61正偏電壓正偏電壓VGS的影響的影響VGS增加時(shí)，通態(tài)壓降下降，開(kāi)通時(shí)間縮短，開(kāi)通損耗減小，增加時(shí)，通態(tài)壓降下降，開(kāi)通時(shí)間縮短，開(kāi)通損耗減小，但但VGS增加到一定程度后，對(duì)增加到一定程度后，對(duì)IGBT的短路能力及電流的短路能力及電流di/dt不不利，一般利，一般VGS

34、不超過(guò)不超過(guò)15V。（。（12V15V）562022-3-62負(fù)偏壓負(fù)偏壓VGS的影響：的影響：門(mén)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)，但門(mén)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：對(duì)關(guān)斷特性影響不大。如圖：572022-3-63門(mén)極電阻門(mén)極電阻RG的影響：的影響：當(dāng)門(mén)極電阻當(dāng)門(mén)極電阻RG增加時(shí)，增加時(shí)，IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間增加，進(jìn)而的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間增加，進(jìn)而使每脈沖的開(kāi)通能耗和關(guān)斷能損也增加。使每脈沖的開(kāi)通能耗和關(guān)斷能損也增加。但但RG減小時(shí)，減小時(shí)，IGBT的電流上升率的電流上升率di/dt增大，會(huì)引起增大，會(huì)引起IGBT的的誤導(dǎo)通，同時(shí)誤導(dǎo)

35、通，同時(shí)RG電阻的損耗也增加。電阻的損耗也增加。一般，在開(kāi)關(guān)損耗不太大的情況下，選較大的電阻一般，在開(kāi)關(guān)損耗不太大的情況下，選較大的電阻RG。582022-3-64IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求：驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求：(1)由于是容性輸入阻抗，因此由于是容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)門(mén)極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)對(duì)門(mén)極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。電路必須很可靠，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(mén)極電容充放電以保證門(mén)極控制電壓用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門(mén)極電容充放電以保證門(mén)極控制電壓VGS有足夠陡峭的前后沿，使有足夠陡峭的前后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。

36、另外的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外IGBT開(kāi)通開(kāi)通后，門(mén)極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率使后，門(mén)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。不致退出飽和而損壞。(3)門(mén)極電路中的正偏壓應(yīng)為門(mén)極電路中的正偏壓應(yīng)為+12+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為；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。嚴(yán)格隔離。(5)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，具有對(duì)門(mén)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，的自保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗于擾能力。并有較強(qiáng)的抗于擾能力。(6)若為大電感負(fù)載，若為大電感負(fù)載，IGBT的關(guān)斷時(shí)間

37、不宜過(guò)短，以限制的關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短，以限制di/dt所形所形成的尖峰電壓，保證成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。的安全。592022-3-6二、驅(qū)動(dòng)電路：二、驅(qū)動(dòng)電路：在滿足上述驅(qū)動(dòng)條件下來(lái)設(shè)計(jì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，在滿足上述驅(qū)動(dòng)條件下來(lái)設(shè)計(jì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，IGBTIGBT的輸入特性的輸入特性與與MOSFETMOSFET幾乎相同，因此與幾乎相同，因此與MOSFETMOSFET的驅(qū)動(dòng)電路幾乎一樣。的驅(qū)動(dòng)電路幾乎一樣。注意：注意：1 1IGBTIGBT驅(qū)動(dòng)電路采用正負(fù)電壓雙電源工作方式。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)信號(hào)電路和驅(qū)動(dòng)電路隔離時(shí)，采用抗

38、噪聲能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸時(shí)間短的快速光耦。傳輸時(shí)間短的快速光耦。3 3門(mén)極和發(fā)射極引線盡量短，采用雙絞線。門(mén)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(mén)源間并聯(lián)阻尼網(wǎng)絡(luò)。為抑制輸入信號(hào)振蕩，在門(mén)源間并聯(lián)阻尼網(wǎng)絡(luò)。602022-3-6IGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O布線應(yīng)注意：柵極布線應(yīng)注意： 驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短；的連線要盡量短； 如不能直接連線時(shí)，應(yīng)采用雙絞線。如不能直接連線時(shí)，應(yīng)采用雙絞線。負(fù)電壓：負(fù)電壓：減小關(guān)斷損減小關(guān)斷損耗、避免耗、避免du/dt引起引起的誤導(dǎo)通的誤導(dǎo)通612022-3-6622022-3-6632022-3-6三、常用三、常用PWM控制

39、芯片：控制芯片：TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060，VC1840，SL-64等。等。四、四、IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊：專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊：大多數(shù)大多數(shù)IGBT生產(chǎn)廠家為了解決生產(chǎn)廠家為了解決IGBT的可靠性問(wèn)題，都生產(chǎn)的可靠性問(wèn)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、系列、日本東芝的日本東芝的TK系列，美國(guó)庫(kù)托羅拉的系列，美國(guó)庫(kù)托羅拉的MPD系列等。這些專(zhuān)系列等。這些專(zhuān)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)能完善，可實(shí)現(xiàn)IGB

40、T的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。富士的富士的EXB841快速驅(qū)動(dòng)電路快速驅(qū)動(dòng)電路642022-3-6由放大電路，過(guò)流保護(hù)電路，由放大電路，過(guò)流保護(hù)電路，5V基準(zhǔn)電壓源電路組成?；鶞?zhǔn)電壓源電路組成。具有過(guò)流緩關(guān)斷功能。具有過(guò)流緩關(guān)斷功能。（7）IGBT的保護(hù)的保護(hù)IGBT常用的保護(hù)電路有兩種：常用的保護(hù)電路有兩種：過(guò)電流保護(hù)（過(guò)電流狀態(tài)檢測(cè)）過(guò)電流保護(hù)（過(guò)電流狀態(tài)檢測(cè)）過(guò)電壓保護(hù)（緩沖電路、減小過(guò)電壓保護(hù)（緩沖電路、減小關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷時(shí)的di/dt）IGBT的電流容量的電流容量 最大連續(xù)電流最大連續(xù)電流 IC506012018030024075100125150CTc/AIC/CTjm15025CTAI

41、CC125250 最大脈沖電流最大脈沖電流 ICM 最大開(kāi)關(guān)電流最大開(kāi)關(guān)電流 ILMCCMoncIImstCT)(;32125規(guī)定條件下，可重復(fù)開(kāi)關(guān)電流的最大值。規(guī)定條件下，可重復(fù)開(kāi)關(guān)電流的最大值。CLMgeoncIIVUHLCT).(.;51211520125 允許短路電流允許短路電流 ISC52004006001k80010152025VUge/05AISC/stSC/SCI10201525SCtVUCTCEc700125CSCII)(54IGBT的使用的使用(了解了解)672022-3-6應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例一、靜音式變頻調(diào)速系統(tǒng)一、靜音式變頻調(diào)速系統(tǒng)682022-3-6二、工業(yè)加熱電源：6

42、92022-3-6三、逆變弧焊電源：702022-3-6四、不間斷電源：UPS 功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管極型晶體管(BJT(BJT、MOSFETMOSFET、IGBT)IGBT)是自關(guān)斷器是自關(guān)斷器件。用它們作開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的件。用它們作開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的SPWMSPWM變換器，可變換器，可使裝置的體積小、斬波頻率高、控制靈活、調(diào)使裝置的體積小、斬波頻率高、控制靈活、調(diào)節(jié)性能好、成本低。節(jié)性能好、成本低。SPWMSPWM變換器，簡(jiǎn)單地說(shuō)，變換器，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷順序和時(shí)間分配是控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷順序和時(shí)間分配規(guī)律

43、，在變換器輸出端獲得等幅、寬度可調(diào)的規(guī)律，在變換器輸出端獲得等幅、寬度可調(diào)的矩形波。這樣的波形可以有多種方法獲得。矩形波。這樣的波形可以有多種方法獲得。 逆變器的基本知識(shí)逆變器的基本知識(shí)脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(SPWM)變換器變換器 1 1SPWMSPWM原理原理 根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同，且脈沖越窄，輸出的差異越小。它表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無(wú)關(guān). 圖中給出了幾種典型的形狀不同而沖量相同的窄脈沖。他們的面積(沖量)均相同。當(dāng)它們分別作用在同一個(gè)的慣性系統(tǒng)上時(shí)，其輸出響應(yīng)波形基本相同。當(dāng)窄

44、脈沖變?yōu)閳D中(d)所示的單位脈沖函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)則變?yōu)槊}沖過(guò)渡函數(shù)。 圖示 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖中畫(huà)出了一正弦波的正半波，并將其劃分為k等分(圖中k7)。將每一等分中的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形波所替代，從而得到一組等效于正弦波的一組等幅不等寬的矩形脈沖的方法稱(chēng)為逆變器的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)。 2單極性調(diào)制 3雙極性調(diào)制 一般將正弦調(diào)制波的幅值與三角載波的峰值之比定義為調(diào)制度M(亦稱(chēng)調(diào)制比或調(diào)制系數(shù)。 在SPWM變換器中，使用最多的是三相橋式逆變器。三相橋式逆變器一般都采用雙極性控制方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用一個(gè)三角波載波信號(hào)

45、，用三個(gè)相位互差120的正弦波作為調(diào)制信號(hào)，以獲得三相對(duì)稱(chēng)輸出。U、V和W各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。 三相橋式逆變器 在雙極性SPWM控制方式中，同一相上、下兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。但實(shí)際上為了防止上、下兩個(gè)臂直通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷信號(hào)后，再延遲時(shí)間，才給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)。延遲時(shí)間的長(zhǎng)短主要由功率開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。這個(gè)延遲時(shí)間將會(huì)給輸出的SPWM波形帶來(lái)影響，使其偏離正弦波。 圖示為 三相SPWM波形 3SPWM的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) (1) 在一個(gè)可控功率級(jí)內(nèi)調(diào)頻、調(diào)壓，簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小、重量輕、造價(jià)低。 (2) 直流電壓可由二極管整流獲得，

46、交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)接近1；如有數(shù)臺(tái)裝置，可由同一臺(tái)不可控整流器輸出作直流公共母線供電。 (3) 輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)的速度取決于電子控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無(wú)關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過(guò)程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能。 （4）輸出電壓或電流波形接近正弦，從而減少諧波分量。 4關(guān)于關(guān)于SPWM的開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)頻率 SPWM調(diào)制后的信號(hào)中除了含有調(diào)制信號(hào)和頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量之外，幾乎不含其它諧波，特別是接近基波的低次諧波。因此， SPWM的開(kāi)關(guān)頻率愈高，諧波含量愈少。當(dāng)載波頻率越高時(shí)，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。

47、但是，SPWM的載波頻率除了受功率器件的允許開(kāi)關(guān)頻率制約外，開(kāi)關(guān)器件工作頻率提高，開(kāi)關(guān)損耗和換流損耗會(huì)隨之增加。另外，開(kāi)關(guān)瞬間電壓或電流的急劇變化形成很大的或，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的電磁干擾；高、還會(huì)在線路和器件的分布電容和電感上引起沖擊電流和尖峰電壓 842022-3-6在一定程度上回避了功率集成電路（PIC)高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題，以及溫升和散熱的問(wèn)題，只將保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路與IGBT器件集成在一起，也稱(chēng)智能IGBT,這些年來(lái)獲得了迅速發(fā)展，在中小功率有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，在個(gè)別較大功率場(chǎng)合也有一定的應(yīng)用。第三節(jié)第三節(jié) 智能功率模塊智能功率模塊852022-3-61 1IPMIPM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) IPM有兩大類(lèi)型：一種是小功率IPM，采用多層環(huán)氧樹(shù)脂隔離；另一種大功率IPM，采用陶瓷絕緣和銅骨架連接。 。 智能功率模塊是電子集成電路PIC 的一種。它將高速度、低功耗的IGBT，與柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路一體化，因而具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特點(diǎn)。 目前IPM一般采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)器件，因而電流電壓容量都較大，適用范圍更廣 。862022-3-6872022-3-6882022-3-62 2IPMIPM的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) 3 3IPMIPM的內(nèi)藏功能的內(nèi)藏功能可歸納為以下幾個(gè)