1、激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT课程：课程：激光设备控制技术激光设备控制技术院系：电子工程系院系：电子工程系主讲人：张才华主讲人：张才华激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT教学目标：教学目标：1、了解、了解IGBT的结构与工作原理；的结构与工作原理；2、了解、了解IGBT的主要技术参数。的主要技术参数。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT1、IGBT概述概述 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管，=BJT(双极型三极管双极型三极管) +MOSFET(绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管)I
2、GBT模块实物图模块实物图 是复合全控型电压驱动式功是复合全控型电压驱动式功率半导体器件。率半导体器件。 激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT IGBT的特点：的特点：（1）GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；（2）MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。大，载流密度小。（3）IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小、开关综合了以上两种器件的优点，驱动功率小、开关速度高而饱和压降低。速度高而饱和压降低。（4）适合应用于直流电压在）适合应用于直流电压在400V及以上的变流系统
3、如交流及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等工程领域。电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等工程领域。 N沟道增强型沟道增强型IGBT结构图与等效电路图结构图与等效电路图激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT2、IGBT结构结构EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)结构图结构图等效电路图等效电路图 IGBT结构图结构图激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT 右边所示为一个右边所示为一个N沟道增强型绝缘沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构示意图。是
4、在栅双极晶体管结构示意图。是在N沟道沟道MOSFET的漏极的漏极N层上又附加上一层层上又附加上一层P层组成的层组成的 PNPN四层结构的半导体。四层结构的半导体。P+区称为漏区。区称为漏区。 器件的控制区为栅区，附于其器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极上的电极称为栅极（即门极G）。）。 N+区称为源区，附于其上的电区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极极称为源极（即发射极E）。）。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT 在漏区另一侧的在漏区另一侧的P+区称为漏注区称为漏注入区（入区（Drain injector）。）。 它是它是IGBT特有的功能区，与亚特有的功能区
5、，与亚沟道区一起形成沟道区一起形成PNP双极晶体管，双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态进行导电调制，以降低器件的通态电压电压。 附于漏注入区上的电极称为附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极漏极（即集电极C）。）。 IGBT的开关原理：的开关原理：激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT 加正向栅极电压形成沟道，给加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使晶体管提供基极电流，使IGBT导通。导通。 反之，加反向门极电压消除沟反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使道，切断基极电流，使IGBT关断。关断
6、。 IGBT的驱动方法和的驱动方法和MOSFET基基本相同，只需控制输入极的本相同，只需控制输入极的N沟道沟道MOSFET就可以控制就可以控制IGBT，所以具，所以具有高输入阻抗特性。有高输入阻抗特性。关断关断开通开通3、IGBT主要技术参数主要技术参数 （ 1）集电极）集电极-发射极额定电压发射极额定电压Uces。 器件的雪崩击穿电压而规定的电压值，是栅极器件的雪崩击穿电压而规定的电压值，是栅极-发射发射极短路时极短路时IGBT能够承受的耐压值。能够承受的耐压值。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT （2） 栅极栅极-发射极额定电压发射极额定电压Uges。 是栅极控制信号的电压额定值
7、。目前，是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT的的Uges值大部分为值大部分为+20V。 （3）额定集电极电流）额定集电极电流Ic。 表示表示IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。在导通时能流过管子的持续最大电流。目前，市场上目前，市场上IGBT模块的电流可达模块的电流可达1000A以上。以上。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT （）集电极（）集电极-发射极饱和电压发射极饱和电压Uce(sat)。 是是IGBT在正常饱和导通时集电极在正常饱和导通时集电极-发射极之间发射极之间的电压降。这个值越小，管子的功率损耗就越小。的电压降。这个值越小，管子的功率损耗就越小。 （5）开关频
8、率。）开关频率。 是是IGBT的每秒钟开通和关断的最大次数。的每秒钟开通和关断的最大次数。 开关频率是以导通时间开关频率是以导通时间Ton、下降时间、下降时间Tf和和关断时间关断时间Toff形式给出的，根据这些参数可估形式给出的，根据这些参数可估算出算出IGBT的开关频率。的开关频率。 一般一般IGBT的实际工作频率都在的实际工作频率都在100kHz以下，以下，开关频率高是开关频率高是IGBT模块的一个重要优点。模块的一个重要优点。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT4、IGBT的选择的选择（1） IGBT额定电压的选择额定电压的选择 三相三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线
9、输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值：电压的最大值：U0=380X1.414=537V 在开关工作的条件下，在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级规格的电压等级，选择，选择1 200V电压等级的电压等级的IGBT。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT（2） IGBT额定电流的选择额定电流的选择 以以30kW电源为例，负载电流约为电源为例，负载电流约为79A，由于负载，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间分钟的时间内，承
10、受内，承受1.5倍的过流，最大负载电流约为倍的过流，最大负载电流约为119A ，建，建议选择议选择150A电流等级的电流等级的IGBT。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT（3） IGBT开关参数的选择开关参数的选择 开关电源的开关频率一般在开关电源的开关频率一般在1020 kH Z，而，而在实际工作的过程中，在实际工作的过程中，IGBT的通态损耗所占比重的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型比较大，建议选择低通态型IGBT。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT（4） 影响影响IGBT可靠性因素可靠性因素a.栅电压。栅电压。 IGBT工作时，必须有正向栅电压，常用的栅工作时
11、，必须有正向栅电压，常用的栅驱动电压值为驱动电压值为1518V，最高用到，最高用到20V。 在桥式电路和大功率应用情况下，为了避免干在桥式电路和大功率应用情况下，为了避免干扰，在扰，在IGBT关断时，栅极加负电压，一般在关断时，栅极加负电压，一般在-5- 15V，保证，保证IGBT的关断，避免的关断，避免Miller效应影响。效应影响。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT b）Miller效应。效应。为了降低为了降低Miller效应的影响，在效应的影响，在IGBT栅驱动电路中采栅驱动电路中采用改进措施：用改进措施：（1）开通和关断采用不同栅电阻）开通和关断采用不同栅电阻RgON和和Rg
12、off，确保，确保IGBT的有效开通和关断；的有效开通和关断；（2）栅源间加电容）栅源间加电容C，对，对Miller效应产生的电压进行能效应产生的电压进行能量泄放；量泄放；（3）关断时加负栅压。在实际设计中，采用三者合理）关断时加负栅压。在实际设计中，采用三者合理组合，对改进组合，对改进Mille r效应的效果更佳。效应的效果更佳。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT总结：总结：n 激光电源的开关器件使用激光电源的开关器件使用IGBTIGBT，是，是BJTBJT和和MOSFETMOSFET复合型控制器件；复合型控制器件；n IGBTIGBT主要有主要有5 5个技术参数个技术参数, ,需根据实际需要需根据实际需要正确选用正确选用IGBTIGBT。激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT作业：作业：1、IGBT的特点是什么？的特点是什么？激光电源的开关器件激光电源的开关器件IGBT2、IGBT的主要技术参数有哪些？的主要技术参数有哪些？本次课程到此结束，谢谢！本次课程到此结束，谢谢！
