電力電子半導(dǎo)體器件(IGBT)-課件

第七章絕緣柵雙極晶體管

（IGBT)1ppt課件原理與特性一、概述

IGBT——InsulatedGateBipolarTransistor

近年來(lái)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500—600V，電流25A。2ppt課件

第二代于1989年生產(chǎn)，有高速開(kāi)關(guān)型和低通態(tài)壓降型，容量為400A/500—1400V，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（InjectionEnhancedGateTransistor)二、工作原理：

IGBT是在功率MOSFET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(mén)極和源極與MOSFET相類(lèi)似。3ppt課件1．分類(lèi)：按緩沖區(qū)有無(wú)分為：①非對(duì)稱(chēng)型IGBT：有緩沖區(qū)N+，穿通型IGBT；由于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。②對(duì)稱(chēng)型IGBT：無(wú)緩沖區(qū)N+，非穿通型IGBT；具有正、反向阻斷能力，其他特性較非對(duì)稱(chēng)型IGBT差。按溝道類(lèi)型：①N溝道IGBT②P溝道IGBT4ppt課件2．開(kāi)通和關(guān)斷原理：

IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由門(mén)極電壓來(lái)控制的。門(mén)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(mén)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)斷。①VDS為負(fù)時(shí)：J3結(jié)處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。②VDS為正時(shí)：VG<VT，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態(tài)。

VG>VT，絕緣門(mén)極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)ā?ppt課件③關(guān)斷時(shí)拖尾時(shí)間：在器件導(dǎo)通之后，若將門(mén)極電壓突然減至零，則溝道消失，通過(guò)溝道的電子電流為零，使漏極電流有所突降，但由于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。④鎖定現(xiàn)象：由于IGBT結(jié)構(gòu)中寄生著PNPN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(lái)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。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：α1+α2=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(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)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α1和α2的增加，以及由過(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)程中個(gè)別先開(kāi)通或后關(guān)斷的IGBT之中的電流密度過(guò)大而形成局部鎖定?！扇「鞣N工藝措施，可以提高鎖定電流，克服由于鎖定產(chǎn)生的失效。6ppt課件三、基本特性：（一）靜態(tài)特性1．伏安特性：幾十伏，無(wú)反向阻斷能力飽和區(qū)放大區(qū)擊穿區(qū)7ppt課件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(mén)源電壓VGS小于開(kāi)啟電壓VT時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，加在門(mén)源間的最高電壓由流過(guò)漏極的最大電流所限定。一般門(mén)源電壓最佳值15V。8ppt課件4．開(kāi)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2~5Ｖ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。9ppt課件（二）動(dòng)態(tài)特性1．開(kāi)通過(guò)程：td(on)：開(kāi)通延遲時(shí)間tri：電流上升時(shí)間tfv1

，tfv2

：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(guò)程影響。平臺(tái)：由于門(mén)源間流過(guò)驅(qū)動(dòng)電流，門(mén)源間呈二極管正向特性，VGS維持不變。10ppt課件2．關(guān)斷過(guò)程：td(off)

：延遲時(shí)間trv

：VDS上升時(shí)間tfi2

：由PNP晶體管中存儲(chǔ)電荷決定，此時(shí)MOSFET已關(guān)斷，IGBT又無(wú)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(wú)緩沖區(qū)的，下降時(shí)間短。由MOSFET決定11ppt課件3．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。①漏極電流的開(kāi)通時(shí)間和上升時(shí)間：開(kāi)通時(shí)間：ton=td(on)+tri

上升時(shí)間：tr

=tfv1+tfv2

②漏極電流的關(guān)斷時(shí)間和下降時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間：toff

=td(off)+trv

下降時(shí)間：tf

=tfi1+tfi2

③反向恢復(fù)時(shí)間：trr

12ppt課件4．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：13ppt課件5．開(kāi)關(guān)損耗與溫度和漏極電流關(guān)系14ppt課件（三）擎住效應(yīng)

IGBT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(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，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(kāi)通、門(mén)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(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IDM時(shí)產(chǎn)生的擎住效應(yīng)稱(chēng)為靜態(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。15ppt課件

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(guò)IDM值；2．用加大門(mén)極電阻RG的辦法延長(zhǎng)IGBT的關(guān)斷時(shí)間，減小重加

dVDS/dt。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)。16ppt課件（四）安全工作區(qū)1．FBSOA：IGBT開(kāi)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。2．RBSOA：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dVDS/dt改變，電壓上升率dVDS/dt越大，安全工作區(qū)越小。通過(guò)選擇門(mén)極電壓、門(mén)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VDSM17ppt課件（五）具體參數(shù)和特性18ppt課件19ppt課件§7.2門(mén)極驅(qū)動(dòng)一、驅(qū)動(dòng)條件：門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的正偏壓VGS，負(fù)偏壓－VGS，門(mén)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(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、短路能力、電流di/dt及dv/dt。20ppt課件1．正偏電壓VGS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，但VGS增加到一定程度后，對(duì)IGBT的短路能力及電流di/dt不利，一般VGS不超過(guò)15V。（12V~15V）21ppt課件2．負(fù)偏壓－VGS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)，但對(duì)關(guān)斷特性影響不大。如圖：22ppt課件3．門(mén)極電阻RG的影響：當(dāng)門(mén)極電阻RG增加時(shí)，IGBT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。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(kāi)關(guān)損耗不太大的情況下，選較大的電阻RG。23ppt課件4．IGBT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(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。(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VGS有足夠陡峭的前后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外IGBT開(kāi)通后，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。(3)門(mén)極電路中的正偏壓應(yīng)為+12~+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為－2~－10V。(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(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，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(guò)短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。24ppt課件二、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，IGBT的輸入特性與MOSFET幾乎相同，因此與MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路幾乎一樣。注意：1．IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用正負(fù)電壓雙電源工作方式。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．門(mén)極和發(fā)射極引線盡量短，采用雙絞線。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)。25ppt課件26ppt課件27ppt課件三、常用PWM控制芯片：

TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060，

VC1840，SL-64等。四、IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊：大多數(shù)IGBT生產(chǎn)廠家為了解決IGBT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EXB系列、日本東芝的TK系列，美國(guó)庫(kù)托羅拉的MPD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28ppt課件由放大電路，過(guò)流保護(hù)電路，5V基準(zhǔn)電壓源電路組成。具有過(guò)流緩關(guān)斷功能。29ppt課件§7.3IGBT的保護(hù)一、常用的保護(hù)措施：(1)通過(guò)檢出的過(guò)電流信號(hào)切斷門(mén)極控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)(2)利用緩沖電路抑制過(guò)電壓并限制過(guò)量的dv/dt。(3)利用溫度傳感器檢測(cè)IGBT的殼溫，當(dāng)超過(guò)允許溫度時(shí)主電路跳問(wèn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)。二、過(guò)電流保護(hù)措施及注意問(wèn)題：1．IGBT短路時(shí)間：30ppt課件31ppt課件2．過(guò)電流的識(shí)別：采用漏極電壓的識(shí)別方法，通過(guò)導(dǎo)通壓降判斷漏極電流大小。進(jìn)而切斷門(mén)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IGBT允許的短路過(guò)電流時(shí)間（幾個(gè)us），同時(shí)判斷短路的真與假，常用方法是利用降低門(mén)極電壓使IGBT承受短路能力增加，保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)來(lái)處理。3．保護(hù)時(shí)緩關(guān)斷：由于IGBT過(guò)電流時(shí)電流幅值很大，加之IGBT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/dt過(guò)大形成很高的尖峰電壓，造成IGBT的鎖定或二次擊穿，極易損壞IGBT和設(shè)備中的其他元器件，因此有必要讓IGBT在允許的短路時(shí)間內(nèi)采取措施使IGBT進(jìn)行“慢速關(guān)斷”。32ppt課件33ppt課件采用電流互感器和霍爾元件進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)：34ppt課件三、緩沖電路利用緩沖電路抑制過(guò)電壓，減小dv/dt。<50A<200A>200A35ppt課件緩沖電路參數(shù)估算：緩沖電容：

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(lái)前，將緩沖電容上電荷放凈f：開(kāi)關(guān)頻率緩沖電阻功率：LS：緩沖電路電感36ppt課件§7.4應(yīng)用實(shí)例一、靜音式變頻調(diào)速系統(tǒng)37ppt課件二、工業(yè)加熱電源：38ppt課件三、逆變弧焊電源：39ppt課件四、不間斷電源：UPS40ppt課件五、有源功率濾波器：41ppt課件第八章新型電力半導(dǎo)體器件一、新型電力電子器件IGCT

集成門(mén)極換流晶閘管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）是1996年問(wèn)世的一種新型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。該器件是將門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路與門(mén)極換流晶閘管GCT集成于一個(gè)整體形成的。42ppt課件

門(mén)極換流晶閘管GCT是基于GTO結(jié)構(gòu)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGB