IGBT模块驱动电路Word文档下载推荐.docx
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GBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;
IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构,N+区称为源区,附于其上的电极称为源极。
N+区称为漏区。
器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极。
沟道在紧靠栅区边界形成。
在漏、源之间的P型区(包括P+和P一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区(Subchannelregion)。
而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Draininjector),它是IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通。
反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT关断。
IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后,从P+基极注入到N一层的空穴(少子),对N一层进行电导调制,减小N一层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。
[2]
2.发展历史
1979年,MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。
这种器件表现为一个类晶闸管的结构(P-N-P-N四层组成),其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。
80年代初期,用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来。
[2]在那个时候,硅芯片的结构是一种较厚的NPT(非穿通)型设计。
后来,通过采用PT(穿通)型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进,这是随着硅片上外延的技术进步,以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。
几年当中,这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构,其设计规则从5微米先进到3微米。
90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT,它是采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺,但仍然是穿通(PT)型芯片结构。
[4]在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。
硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变,先是采用非穿通(NPT)结构,继而变化成弱穿通(LPT)结构,这就使安全工作区(SOA)得到同表面栅结构演变类似的改善。
这次从穿通(PT)型技术先进到非穿通(NPT)型技术,是最基本的,也是很重大的概念变化。
这就是:
穿通(PT)技术会有比较高的载流子注入系数,而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。
另一方面,非穿通(NPT)技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率,不过其载流子注入系数却比较低。
进而言之,非穿通(NPT)技术又被软穿通(LPT)技术所代替,它类似于某些人所谓的“软穿通”(SPT)或“电场截止”(FS)型技术,这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。
1996年,CSTBT(载流子储存的沟槽栅双极晶体管)使第5代IGBT模块得以实现[6],它采用了弱穿通(LPT)芯片结构,又采用了更先进的宽元胞间距的设计。
包括一种“反向阻断型”(逆阻型)功能或一种“反向导通型”(逆导型)功能的IGBT器件的新概念正在进行研究,以求得进一步优化。
IGBT功率模块采用IC驱动,各种驱动保护电路,高性能IGBT芯片,新型封装技术,从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。
PIM向高压大电流发展,其产品水平为1200—1800A/1800—3300V,IPM除用于变频调速外,600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。
平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB,用于舰艇上的导弹发射装置。
IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB,大大降低电路接线电感,提高系统效率,现已开发成功第二代IPEM,其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。
智能化、模块化成为IGBT发展热点。
大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,已制造出集成化的IGBT专用驱动电路。
其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。
IGBT是绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor),它是八十年代初诞生,九十年代迅速发展起来的新型复合器件。
IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身,既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型,又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。
因此,IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破;
应用频率硬开关5KHz~40KHz,软开关40KHz~150KHz;
功率从五千瓦到几百千瓦的应用场合。
IGBT器件将不断开拓新的应用领域,为高效节能、节材,为新能源、自动化和智能化提供了新的机遇。
为了使初次使用者正确用好IGBT模块,最大限度地发挥IGBT模块的作用,以下是最基本的使用说明。
依据装置负载的工作电压和额定电流以及使用频率,选择合适规格的模块。
用户使用模块前请详细阅读模块参数数据表,了解模块的各项技术指标;
根据模块各项技术参数确定使用方案,计算通态损耗和开关损耗,选择相匹配的散热器及驱动电路。
3.IGBT模块的使用
1.防止静电IGBT是静电敏感器件,为了防止器件受静电危害,应注意以下两点:
①IGBT模块驱动端子上的黑色海绵是防静电材料,用户用接插件引线时取下防静电材料立即插上引线;
在无防静电措施时,不要用手触摸驱动端子。
②驱动端子需要焊接时,设备或电烙铁一定要接地。
2.选择和使用
①请在产品的最大额定值(电压、电流、温度等)范围内使用,一旦超出最大额定值,可能损坏产品,特别是IGBT外加超出Vces的电压时可能发生雪崩击穿现象从而使元件损坏,请务必在Vces的额定值范围内使用!
工作使用频率愈高,工作电流愈小;
源于可靠性的原因,必须考虑安全系数。
如果使用前需要测试请务必使用适当的测试设备,以免测试损坏(特别是IGBT和FRED模块需要专业的测试设备,请勿使用非专业的设备测试其电压的最大值)。
②驱动电路:
由于IGBTVce(sat)和短路耐量之间的折衷关系,建议将栅极电压选为+VG=14~15V,-VG=5~10V,要确保在模块的驱动端子上的驱动电压和波形达到驱动要求;
栅极电阻Rg与IGBT的开通和关断特性密切相关,减小Rg值开关损耗减少,下降时间减少,关断脉冲电压增加;
反之,栅极电阻Rg值增加时,会增加开关损耗,影响开关频率;
应根据浪涌电压和开关损耗间最佳折衷(与频率有关)选择合适的Rg值,一般选为5Ω至100Ω之间。
为防止栅极开路,建议靠近栅极与发射极间并联20K~30KΩ电阻。
驱动布线要尽量短且采用双绞线;
在电源合闸时请先投入驱动控制部分的电源,使其驱动电路工作后再投入主电路电源。
③保护电路:
IGBT模块使用在高频时布线电感容易产生尖峰电压,必须注意减少布线电感和元件的配置,应注意以下保护项目:
过电流保护、过电压保护、栅极过压及欠压保护、安全工作区、过温保护。
④吸收电路:
由于IGBT开关速度快,容易产生浪涌电压,必须设有浪涌钳位电路。
⑤并联使用:
应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。
⑥使用时请避开产生腐蚀气体和严重尘埃的场所。
㈢安装
①散热器应根据使用环境及模块参数进行匹配选择,以保证模块工作时对散热器的要求。
②散热器表面的光洁度应小于10mm,每个螺丝之间的平面扭曲小于10mm。
为了减少接触热阻,推荐在散热器与模块之间涂上一层很薄的导热硅脂,模块均匀受力后,从模块边缘可看出有少许导热硅脂挤出为最佳。
③模块安装在散热器上时,螺钉需用说明书中给出的力矩拧紧。
力矩不足导致热阻增
4.IGBT模块
IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写,IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
IGBT的等效电路如图1所示。
由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;
若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。
IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极—发射极间施加十几V的直流电压,只有在uA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。
1.IGBT的等效电路
2IGBT模块的选择
IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。
其相互关系见下表。
使用中当IGBT模块集电极电流增大时,所产生的额定损耗亦变大。
同时,开关损耗增大,使原件发热加剧,因此,选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。
特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热加剧,选用时应该降等使用。
3使用中的注意事项
由于IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。
由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般达到20~30V。
因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。
因此使用中要注意以下几点:
在使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸;
在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块;
尽量在底板良好接地的情况下操作。
在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。
为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。
在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。
此外,在栅极—发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。
这时,如果集
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