1、双极型器件双极型器件GTR（大功率晶体管）（大功率晶体管）结构示意图结构示意图优点：由于有少数载流子的注入对漂优点：由于有少数载流子的注入对漂移区电导的调制，其通流能力一般都移区电导的调制，其通流能力一般都很高，电流密度约为很高，电流密度约为200300A/cm2，因此器件尺寸小，价格低。因此器件尺寸小，价格低。缺点：除开关速度低外，开关过程中缺点：除开关速度低外，开关过程中的功率消耗太大。的功率消耗太大。单极型器件单极型器件 VMOS结构示意图结构示意图克服了双极型器件的以上二个缺克服了双极型器件的以上二个缺点，但由于没有少数载流子的电点，但由于没有少数载流子的电导调制作用，以至于通态电阻导
2、调制作用，以至于通态电阻Ron较大，通流能力较小。如较大，通流能力较小。如600V耐压耐压VMOS最大电流密度仅最大电流密度仅为为10A/cm2。BiMOS器件器件兼双极和单极型器件所长构成的兼双极和单极型器件所长构成的一种新型器件。这种新型器件设一种新型器件。这种新型器件设计与制造技术就是双极计与制造技术就是双极MOS复复合器件技术，简称合器件技术，简称BiMOS技术。技术。如如IGBT、MCT等。等。IGBT IGBT-绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管是一种新型电力电子器件，具有输是一种新型电力电子器件，具有输入阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、入阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、安全工作
3、区宽、电流处理能力强的特点，安全工作区宽、电流处理能力强的特点，广泛应用在电机控制、中频开关电源和广泛应用在电机控制、中频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及要求快速、逆变器、机器人、空调器以及要求快速、低损耗的许多领域低损耗的许多领域IGBT（IGT），），1982年研制，年研制，第一代于第一代于1985年生产，主要年生产，主要特点是低损耗，导通压降为特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间，下降时间0.5us，耐压，耐压500600V，电流，电流25A。第二。第二代于代于1989年生产，有高速开年生产，有高速开关型和低通态压降型，容量关型和低通态压降型，容量为为400A/5001400V，工
4、作频，工作频率达率达20KHZ。目前第三代正在发展，仍然分目前第三代正在发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另一方面更低和速度更高；另一方面是发展更大容量，采用平板是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达压接工艺，容量达1000A，4500V；命名为；命名为IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)IGBT模块1700V/1200A，3300V/1200A IGBT 模块模块PowerexCM300DY-24H4x IGBT4x二极管二极管IGBT模块内部结构模块内部结构4.1 IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理IG
5、BT是在是在VMOS的基础上发展起来的，的基础上发展起来的，两者结构十分类似，不同之处是两者结构十分类似，不同之处是IGBT多了一层多了一层P+层发射极，从而多了一个层发射极，从而多了一个大面积的大面积的P+N结（结（J1）。）。IGBT也有也有N沟道和沟道和P沟道之分。沟道之分。集电极集电极 C铝栅结构铝栅结构IGBTIGBT每个器每个器件单元实际件单元实际上就是上就是MOSFET和和双极晶体管双极晶体管BJT的组合的组合1、基本结构、基本结构硅栅结构硅栅结构IGBT IGBT的构造和功率MOSFET的对比如左图所示。IGBT是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的，从而具有以下特
6、征。MOSFETIGBT 1电压控制型元件 IGBT的理想等效电路，正如图2所示，是对pnp双极型晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接(就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管)后形成的单片型Bi-MOS晶体管。因此，在门极发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，pnp晶体管的基极集电极间就连接上了低电阻，从而使pnp晶体管处于导通状态。此后，使门极发射极之间的电压为0V时，首先功率MOSFET处于断路状态，pnp晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。如上所述，IGBT和功率MOSFET一样，通过电压信号可以控制开通和关断动作。2耐高压、大容量 IGBT和功率MOSFET同样，
7、虽然在门极上外加正电压即可导通，但是由于通过在漏极上追加p+层，在导通状态下从p+层向n基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的通态电阻。等效电路等效电路S12DE（S）C（D）G图形符号图形符号特点：特点：具有通态密度具有通态密度高、正反向阻高、正反向阻断能力强以及断能力强以及导通和关断双导通和关断双可控特点，且可控特点，且功耗小功耗小208/8/20223、IGBT分类分类沟道沟道N沟道沟道IGBTP沟道沟道IGBT缓冲区缓冲区有，非对称型有，非对称型IGBT（穿通型）（穿通型）无，对称型无，对称型IGBT（非穿通型）（非穿通型）NPT-IGBT:
8、非冲压机非冲压机Throught-IGBTPT-IGBT:冲压机冲压机Throught-IGBT218/8/2022IGBT按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于P+发射区和发射区和N-飘移区之间的飘移区之间的N+层。无缓冲区者称层。无缓冲区者称为对称型为对称型IGBT，有缓冲区者称为非对称型，有缓冲区者称为非对称型IGBT。因为结构不同，因而特性也不同。非对称型因为结构不同，因而特性也不同。非对称型IGBT由于存在由于存在N+区，反向阻断能力弱，但其正区，反向阻断能力弱，但其正向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小；与向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小；与此
9、相反，对称型此相反，对称型IGBT具有正反向阻断能力，其具有正反向阻断能力，其他特性却不及非对称型他特性却不及非对称型IGBT。目前商品化的。目前商品化的IGBT单管或模块大部分是非对称型单管或模块大部分是非对称型IGBT。228/8/2022一一.非对称型非对称型IGBT的物理描述的物理描述 电导调制电导调制 反向阻断反向阻断CE发射极发射极集电极集电极238/8/2022双载流子参与导电双载流子参与导电248/8/2022 IGBT IGBT也属场控器件，其驱动原也属场控器件，其驱动原理与电力理与电力MOSFETMOSFET基本相同，是一基本相同，是一种由栅极电压种由栅极电压UGEUGE控
10、制集电极电流控制集电极电流的栅控自关断器件。的栅控自关断器件。v 导通：导通：U UGEGE大于开启电压大于开启电压U UGE(th)GE(th)时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，为晶体管提内形成沟道，为晶体管提供基极电流，供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。v 导通压降：电导调制效应使电阻导通压降：电导调制效应使电阻R RN N减小，使通态压降小。减小，使通态压降小。v 关断：栅射极间施加反压或不加关断：栅射极间施加反压或不加信号时，信号时，MOSFETMOSFET内的沟道消失，内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。图图3.7
11、.2 IGBT3.7.2 IGBT伏安特性伏安特性2、工作原理：、工作原理：IGBT的集电极相对于发射的集电极相对于发射极加负电压时，由于极加负电压时，由于P+N结（结（J1）处于反偏状态，）处于反偏状态，因而不管因而不管VDMOS的沟道的沟道体中有没有形成沟道，电体中有没有形成沟道，电流都不能在流都不能在C、E间形成。间形成。因此因此IGBT比比VMOS多了一多了一个个J1结，因而获得了反向结，因而获得了反向电压阻断能力。反向阻断电压阻断能力。反向阻断电压的高低决定于电压的高低决定于J1结的结的雪崩击穿电压。雪崩击穿电压。DS+J1J2J3IGBT阻断原理阻断原理DS+J1J2J3IGBT的
12、正向阻断电压的正向阻断电压则是由则是由J2结的雪崩电压结的雪崩电压决定。因为决定。因为VCE为正为正时，若栅极对发射极短时，若栅极对发射极短路，路，J2结处于反向偏置结处于反向偏置状态而状态而VDMOS未能形未能形成导电沟道。成导电沟道。但若此时对栅极加正向但若此时对栅极加正向电压，沟道体表面形成电压，沟道体表面形成沟道，沟道，IGBT进入正向进入正向导通状态。导通状态。DS+J1J2J3+（小）（小）电子由电子由N+发射区经反型层进发射区经反型层进入入N基区。降低了基区。降低了N基区的电基区的电位。加速位。加速P+区向区向N-注入空穴注入空穴进程。直到超过进程。直到超过N基区中的基区中的多数
13、载流子。多数载流子。只要栅压足够高，只要栅压足够高，IGBT的通的通态伏安特性就与二极管的通态伏安特性就与二极管的通态特性一样，即使阻断电压态特性一样，即使阻断电压额定值较高的器件，其电流额定值较高的器件，其电流容量也能达到很高值。容量也能达到很高值。IGBT导通原理导通原理 作为一个虚拟达林作为一个虚拟达林顿电路末级，顿电路末级，PNP管从管从不进入深饱和区，它的不进入深饱和区，它的电压降比处于深饱和区电压降比处于深饱和区的同样的同样PNP管要高。然管要高。然而特别应该指出的是：而特别应该指出的是：一个一个IGBT发射极覆盖发射极覆盖芯片的整个面积，因此芯片的整个面积，因此它的注射效率和通态
14、压它的注射效率和通态压降比同样尺寸的双极晶降比同样尺寸的双极晶体管要优越得多。体管要优越得多。对于已正向导通的对于已正向导通的IGBT，如果想令其转，如果想令其转入关断状态，只须让入关断状态，只须让VG=0即可，可以通过即可，可以通过将栅极与发射极短路来将栅极与发射极短路来实现。实现。308/8/2022思考与讨论1,请分析IGBT与MOSFET的区别。2,请分析IGBT的工作原理。318/8/2022（1）静态特性）静态特性v伏安特性伏安特性IGBT的伏安特性与的伏安特性与GTR类似，不同之处是，控类似，不同之处是，控制参数是门源电压制参数是门源电压VGS，而不是基极电流，伏安而不是基极电流
15、，伏安特性分饱和区（特性分饱和区（）、）、放大区（放大区（）和击穿区）和击穿区（）。如果无）。如果无N+缓冲缓冲区，正反向阻断电压可区，正反向阻断电压可以做到同样水平，但加以做到同样水平，但加入缓冲区，反向阻断电入缓冲区，反向阻断电压只有几十伏。压只有几十伏。4、工作特性与参数、工作特性与参数VBRICVCEIGBT的工作特性包括静态和动态两类：静态特性。IGBT的静态特性主要有伏安特性、饱和电压特性、转移特性和开关特性。328/8/2022IGBT的伏安特性的伏安特性 反映在一定的栅极一发射极电压反映在一定的栅极一发射极电压UGEUGE下器件的输下器件的输出端电压出端电压U UCECE与电流
16、与电流I Ic c的关系。的关系。IGBTIGBT的伏安特性分为的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。区和击穿区。图图3.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性338/8/2022当当MOSFET的导电沟道充分的导电沟道充分开启，开启，IGBT的集电极电流主的集电极电流主要由钉二极管部份决定，其要由钉二极管部份决定，其通态伏安特性为指数函数，通态伏安特性为指数函数，而而VMOS和和GTR皆为线性关皆为线性关系。因此，在同样的耐压下，系。因此，在同样的耐压下，使用使用IGBT比使用比使用VMOS和和GTR更容易通过较大电流，更容易通过较大电
17、流，获得更大的功率输出。如对获得更大的功率输出。如对于于600V等级的器件，等级的器件，IGBT能能够承受的最大电流密度一般够承受的最大电流密度一般是是VMOS的的20倍，是倍，是GTR的的5倍左右。倍左右。348/8/2022v转移特性转移特性由图可知，由图可知，IGBT电流电流密度较大，通态电压密度较大，通态电压的温度系数在小电流的温度系数在小电流范围内为负，大电流范围内为负，大电流范围内为正，其值约范围内为正，其值约为为1.4倍倍/100。这是因为在低电流区域，这是因为在低电流区域，VBE、hFE起支配作用，起支配作用，故具有负的温度系数。而在大电流区故具有负的温度系数。而在大电流区Re
18、pi，Rch起支配作用，器件便具有正温度系数。起支配作用，器件便具有正温度系数。VCEIC358/8/2022由于由于MOSFET和和PNP管在这里是管在这里是达林顿接法，其电流不会像达林顿接法，其电流不会像MOSFET那样从零伏开始上升，那样从零伏开始上升，而是存在着而是存在着PNP晶体管晶体管VBE所需所需要的偏置电压。一旦电导调制效要的偏置电压。一旦电导调制效应发生后，其动态电阻与应发生后，其动态电阻与MOSFET相比则非常小。相比则非常小。IGBT不适合于要求器件压降低于不适合于要求器件压降低于0.7V的场合下使用的场合下使用击穿电压高的击穿电压高的IGBT器件电流容量较低。高耐压器件
19、器件电流容量较低。高耐压器件的的N基区较宽。基区较宽。368/8/2022 U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)(开启电压开启电压,一一般为般为3 36V)6V)；其输出电流；其输出电流I Ic c与驱动电压与驱动电压U UGEGE基本呈线性关基本呈线性关系；系；图图3.7.2 IGBT的伏安特的伏安特 性和转移特性性和转移特性IGBTIGBT的转移特性曲线（如图的转移特性曲线（如图b b）IGBTIGBT关断：关断：IGBTIGBT开通：开通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)；378/8/2022由于由于IGBT中的电中的电导调制效应的影响，导调制效应的影响，PT型型IGBT
20、的饱和的饱和压降，在小电流区压降，在小电流区域具有负温度系数，域具有负温度系数，在大电流区域具有在大电流区域具有正温度系数。但正温度系数。但NPT型型IGBT中，中，电导调制效应的影电导调制效应的影响没有响没有PT型型IGBT强，因此强，因此NPT型型IGBT具有正温度具有正温度系数，适应于并联系数，适应于并联使用。使用。饱和压降特性饱和压降特性388/8/2022（二）动态特性（二）动态特性1开通过程：开通过程：td(on)：开通延迟时间：开通延迟时间tri：电流上升时间：电流上升时间tfv1，tfv2：漏源电压下降时间：漏源电压下降时间tfv1：MOSFET单独工作时的单独工作时的电压下降
21、时间。电压下降时间。tfv2：MOSFET和和PNP管同时工管同时工作时的电压下降时间。随漏源作时的电压下降时间。随漏源电压下降而延长；受电压下降而延长；受PNP管饱管饱和过程影响。和过程影响。平台：由于门源间流过驱动电流，门源平台：由于门源间流过驱动电流，门源间呈二极管正向特性，间呈二极管正向特性，VGS维持不变。维持不变。398/8/2022IGBT的开关特性的开关特性（1）IGBT的开通过程：的开通过程：从正向阻断状态转换到从正向阻断状态转换到正向导通的过程。正向导通的过程。v 开通延迟时间开通延迟时间td(on)：IC从从10%UCEM到到10%ICM所需时间。所需时间。v 电流上升时
22、间电流上升时间tr：IC从从10%ICM上升至上升至90%ICM所需时间。所需时间。v 开通时间开通时间ton ton：ton=td(on)+tr图图3 3.7.3 IGBT的开关特性的开关特性 408/8/20222关断过程：关断过程：td(off)：延迟时间：延迟时间trv：VDS上升时间上升时间tfi2：由：由PNP晶体管中晶体管中存储电荷决定，此时存储电荷决定，此时MOSFET已关断，已关断，IGBT又无反向电压，又无反向电压，体内存储电荷很难迅体内存储电荷很难迅速消除，因此下降时速消除，因此下降时间较长，间较长，VDS较大，功较大，功耗较大。一般无缓冲耗较大。一般无缓冲区的，下降时间
23、短。区的，下降时间短。由由MOSFET决定决定418/8/2022IGBT的关断过程的关断过程v 关断延迟时间关断延迟时间td(off)：从从UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的时刻的时刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v 电流下降时间：电流下降时间：ic从从90%ICM下降至下降至10%ICM。v 关断时间关断时间toff：关断延迟时间关断延迟时间与电流下降之和。与电流下降之和。电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1和和tfi2 tfi1IGBT内部的内部的MOSFET的的关断过程，关断过程，ic下降较快；下降较快；tfi2IGBT内部的内部的PNP晶体管晶体管
24、的关断过程，的关断过程，ic下降较慢。下降较慢。图图3.7.3 IGBT的开关特性的开关特性 428/8/20223开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。漏极电流的开通时间和上升时间：漏极电流的开通时间和上升时间：开通时间：开通时间：t tonon=td(on)+tri上升时间：上升时间：tr=tfv1+tfv2漏极电流的关断时间和下降时间：漏极电流的关断时间和下降时间：关断时间：关断时间：t toffoff=td(off)+trv下降时间：下降时间：t tf f=tfi1+tfi2反向恢复时间：反向恢复时间：t trrrr438/8/2022动态特性
25、（开关特性）动态特性（开关特性）IGBT动态特性 iCtt1 1t2 2t3 3t4 4USTuGEUGEM0.1UGEMICM0.9ICMtONtOFF0.1ICM0.9UGEMuCEMOSONGTRONMOSOFFGTROFFt钳位效应：钳位效应：G-E驱动电流驱动电流 二极管正向特性拖尾电流拖尾电流MOS已已经关断，经关断，IGBT存存储电荷释储电荷释放缓慢放缓慢448/8/2022ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM458/8/
26、2022 与与MOSFET的相似，因为开通过程中的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间在大部分时间作为作为MOSFET运行运行 开通延迟时间开通延迟时间td(在在)从从uGE上升至其幅值上升至其幅值10%的时的时刻，到刻，到iC上升至上升至10%ICM 电流上升时间电流上升时间tr iC从从10%ICM上升至上升至90%ICM所所需时间需时间 开通时间吨开通时间吨开通延迟时间与电流上升时间之和开通延迟时间与电流上升时间之和 uCE的下降过程分为的下降过程分为tfv1和和tfv2两段。两段。tfv1IGBT中中MOSFET单独工作的电压下降过程；单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和
27、和PNP晶体管同时工作的电压下降过程晶体管同时工作的电压下降过程IGBT的开通过程的开通过程468/8/20224开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：478/8/20225开关损耗与温度和漏极电流关系开关损耗与温度和漏极电流关系488/8/2022思考与讨论3,请画图并归纳说明IGBT的基本特性。1,请分析IGBT与MOSFET的区别。2,请分析IGBT的工作原理。498/8/2022（三）擎住效应（三）擎住效应IGBT的锁定现象又称擎住效应。的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个寄生复合器件内有一个寄生晶闸管存在，它由晶闸
28、管存在，它由PNP利利NPN两个晶体管组成。在两个晶体管组成。在NPN晶体管晶体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上，在该电阻上，P型型体区的横向空穴流会产生一定压降。对体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加一个结来说相当于加一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，NPN晶体管不起作用。当漏极电流大到晶体管不起作用。当漏极电流大到定程度时，这个正偏定程度时，这个正偏量电压足以使量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极晶体管导通，进而使寄生晶闸管开
29、通、门极失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。发生擎住效应后。漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。漏极通态电流的连续值超过临界值漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称为静时产生的擎住效应称为静态擎住现象。态擎住现象。IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住所允许在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规定的的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而
30、确定的。值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。508/8/2022动态过程中擎住现象的产生主要由重加动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定，此外还受来决定，此外还受漏极电流漏极电流IDM以及结温以及结温Tj等因素的影响。等因素的影响。在使用中为了避免在使用中为了避免IGBT发生擎住现象发生擎住现象:1设计电路时应保证设计电路时应保证IGBT中的电流不超过中的电流不超过IDM值；值；2用加大门极电阻用加大门极电阻RG的办法延长的办法延长IGBT的关断时间，减小重加的关断时间，减小重加dVDS/dt。3器件制造厂家也在器件制造厂家也在IGBT的工艺与结构上想方设法尽可能提的工艺与
31、结构上想方设法尽可能提高高IDM值，尽量避免产生擎住效应。值，尽量避免产生擎住效应。518/8/2022DS+J1J2J3+（小）（小）IGBT的的C与与E 之间寄生之间寄生了一个晶闸管（具有自了一个晶闸管（具有自锁能力），为什么不能锁能力），为什么不能通过通过VG=0而关断？而关断？避免避免IGBT在导通后被在导通后被自锁的设计要点就是要自锁的设计要点就是要保证保证1+21IGBT擎住效应擎住效应528/8/2022IGBT的擎住（门插销）效应的擎住（门插销）效应GCERNRPSCR 静态擎住 动态擎住 过热擎住P区体电阻区体电阻RP引发擎住引发擎住关断过急关断过急位移电流位移电流ECEJi
32、dtduCCJPN结电容RG 不能过小，限制关断时间。不能过小，限制关断时间。RP 及及PNP、NPN 电流放大倍数电流放大倍数因温度升高而增大。（150时ICM降至1/2）IGBT的安全工作区正向安全工作区正向安全工作区反向安全工作区反向安全工作区正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA)最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定548/8/2022门极驱动门极驱动一、驱动条件：一、驱动条件：门极驱动电路的正偏压门极驱动电路的正偏压VGS，负偏压，负偏压VGS，门
33、极电阻，门极电阻RG的大小，的大小，决定决定IGBT的静态和动态特性，如：通态电压、开关时间、开关的静态和动态特性，如：通态电压、开关时间、开关损耗、短路能力、电流损耗、短路能力、电流di/dt及及dv/dt。558/8/20221正偏电压正偏电压VGS的影响的影响VGS增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，但但VGS增加到一定程度后，对增加到一定程度后，对IGBT的短路能力及电流的短路能力及电流di/dt不不利，一般利，一般VGS不超过不超过15V。（。（12V15V）568/8/20222负偏压负偏压VGS的影响：的影响：门极负
34、偏压可以减小漏极浪涌电流，避免发生锁定效应，但门极负偏压可以减小漏极浪涌电流，避免发生锁定效应，但对关断特性影响不大。如图：对关断特性影响不大。如图：578/8/20223门极电阻门极电阻RG的影响：的影响：当门极电阻当门极电阻RG增加时，增加时，IGBT的开通与关断时间增加，进而的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能耗和关断能损也增加。使每脉冲的开通能耗和关断能损也增加。但但RG减小时，减小时，IGBT的电流上升率的电流上升率di/dt增大，会引起增大，会引起IGBT的的误导通，同时误导通，同时RG电阻的损耗也增加。电阻的损耗也增加。一般，在开关损耗不太大的情况下，选较大的电阻一般，在开
35、关损耗不太大的情况下，选较大的电阻RG。588/8/20224IGBT驱动电路设计要求：驱动电路设计要求：(1)由于是容性输入阻抗，因此由于是容性输入阻抗，因此IGBT对门极电荷集聚很敏感，驱动对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电以保证门极控制电压用低内阻的驱动源对门极电容充放电以保证门极控制电压VGS有足够陡峭的前后沿，使有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外的开关损耗尽量小。另外IGBT开通开通后，门极驱动源应提供足够的功率使后，门极驱动源应提供足够的功
36、率使IGBT不致退出饱和而损坏。不致退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为门极电路中的正偏压应为+12+15V；负偏压应为；负偏压应为210V。(4)IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。严格隔离。(5)门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，的自保护功能，并有较强的抗于扰能力。并有较强的抗于扰能力。(6)若为大电感负载，若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形所形成的尖峰电压，保证成的尖峰电压，保证IGB
37、T的安全。的安全。598/8/2022二、驱动电路：二、驱动电路：在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBTIGBT的输入特性的输入特性与与MOSFETMOSFET几乎相同，因此与几乎相同，因此与MOSFETMOSFET的驱动电路几乎一样。的驱动电路几乎一样。注意：注意：1 1IGBTIGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。驱动电路采用正负电压双电源工作方式。2 2信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号传输时间短的快速光耦。传输时间短的快速光耦。3 3门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。
38、门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。4 4为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。608/8/2022IGBT的驱动的驱动栅极布线应注意：栅极布线应注意：驱动电路与驱动电路与IGBT的连线要尽量短；的连线要尽量短；如不能直接连线时，应采用双绞线。如不能直接连线时，应采用双绞线。负电压：负电压：减小关断损减小关断损耗、避免耗、避免du/dt引起引起的误导通的误导通618/8/2022628/8/2022638/8/2022三、常用三、常用PWM控制芯片：控制芯片：TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060，VC1840，SL-
39、64等。等。四、四、IGBT专用驱动模块：专用驱动模块：大多数大多数IGBT生产厂家为了解决生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题，都生产的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系列、系列、日本东芝的日本东芝的TK系列，美国库托罗拉的系列，美国库托罗拉的MPD系列等。这些专系列等。这些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现能完善，可实现IGBT的最优驱动。的最优驱动。富士的富士的EXB841快速驱动电路快速驱动电路648/8/2022由放大电路，
40、过流保护电路，由放大电路，过流保护电路，5V基准电压源电路组成。基准电压源电路组成。具有过流缓关断功能。具有过流缓关断功能。（7）IGBT的保护的保护IGBT常用的保护电路有两种：常用的保护电路有两种：过电流保护（过电流状态检测）过电流保护（过电流状态检测）过电压保护（缓冲电路、减小过电压保护（缓冲电路、减小关断时的关断时的di/dt）IGBT的电流容量的电流容量 最大连续电流最大连续电流 IC506012018030024075100125150CTc/AIC/CTjm15025CTAICC125250 最大脉冲电流最大脉冲电流 ICM 最大开关电流最大开关电流 ILMCCMoncIImst
41、CT)(;32125规定条件下，可重复开关电流的最大值。规定条件下，可重复开关电流的最大值。CLMgeoncIIVUHLCT).(.;51211520125 允许短路电流允许短路电流 ISC52004006001k80010152025VUge/05AISC/stSC/SCI10201525SCtVUCTCEc700125CSCII)(54IGBT的使用的使用(了解了解)678/8/2022应用实例应用实例一、静音式变频调速系统一、静音式变频调速系统688/8/2022二、工业加热电源：698/8/2022三、逆变弧焊电源：708/8/2022四、不间断电源：UPS 功率晶体管、功率场效应晶体
42、管和绝缘栅双功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管极型晶体管(BJT(BJT、MOSFETMOSFET、IGBT)IGBT)是自关断器是自关断器件。用它们作开关元件构成的件。用它们作开关元件构成的SPWMSPWM变换器，可变换器，可使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好、成本低。节性能好、成本低。SPWMSPWM变换器，简单地说，变换器，简单地说，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的矩形波。这样的波形可以有多种方
43、法获得。矩形波。这样的波形可以有多种方法获得。逆变器的基本知识逆变器的基本知识脉宽调制脉宽调制(SPWM)变换器变换器 1 1SPWMSPWM原理原理 根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越窄，输出的差异越小。它表明，惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关.图中给出了几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉冲。他们的面积(冲量)均相同。当它们分别作用在同一个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。当窄脉冲变为图中(d)所示的单位脉冲函数时，系统的响应则变为脉冲过渡函数。图示 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图
44、中画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分(图中k7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代，从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)。2单极性调制 3双极性调制 一般将正弦调制波的幅值与三角载波的峰值之比定义为调制度M(亦称调制比或调制系数。在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆变器。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用一个三角波载波信号，用三个相位互差120的正弦波作为调制信号，以获得三相对称输出。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。三相桥式逆
45、变器 在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。图示为 三相SPWM波形 3SPWM的优点的优点 (1)在一个可控功率级内调频、调压，简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、重量轻、造价低。(2)直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数接近1；如有数台装置，可由同一台不可控整流器输出作直流公共母线供电。(3)输出频率和电压都在逆变器内控制
46、和调节，其响应的速度取决于电子控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能。（4）输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量。4关于关于SPWM的开关频率的开关频率 SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此，SPWM的开关频率愈高，谐波含量愈少。当载波频率越高时，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。另外，开关瞬间电压或电流的
47、急剧变化形成很大的或，会产生强的电磁干扰；高、还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电流和尖峰电压 848/8/2022在一定程度上回避了功率集成电路（PIC)高低压电路之间的绝缘问题，以及温升和散热的问题，只将保护和驱动电路与IGBT器件集成在一起，也称智能IGBT,这些年来获得了迅速发展，在中小功率有广泛的应用场合，在个别较大功率场合也有一定的应用。第三节第三节 智能功率模块智能功率模块858/8/20221 1IPMIPM的结构的结构 IPM有两大类型：一种是小功率IPM，采用多层环氧树脂隔离；另一种大功率IPM，采用陶瓷绝缘和铜骨架连接。智能功率模块是电子集成电路PIC 的一种。它
48、将高速度、低功耗的IGBT，与栅极驱动器和保护电路一体化，因而具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特点。目前IPM一般采用IGBT作为功率开关器件，因而电流电压容量都较大，适用范围更广。868/8/2022878/8/2022888/8/20222 2IPMIPM的优点的优点 3 3IPMIPM的内藏功能的内藏功能可归纳为以下几个方面：不易损坏；内藏相关的外围电路，缩短了产品设计和评价时间；不需要对功率开关元器件采取防静电措施；大大减少了元件数目，缩小了体积。图2-89所示为采用IPM制成的逆变器系统框图。功放部分使用内有电流检测的IGBT模块，可以检测电流异常，以进行保护，不需要另加
49、检测器CT，大大降低了成本。898/8/2022图2-89 采用IPM制成的逆变器系统框图 908/8/20221、过热保护(OT)：在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过热保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。2、过流保护(OC)：若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过toff（10ms）时，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的di/dt。918/8/2022 3、控制电压欠压保护（UV）：IPM使用+15V供电，若供电电压低于设定电压，且时间超过toff时，发生欠压保护，封锁门极驱动
50、电路，输出故障信号。4、短路保护（SC）：若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过流保护一样，为避免发生过大的di/dt。为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路（RTC），使响应时间小100ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间tFO为1.8ms（SC持续时间会长一些），此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM；故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。92
